黄土地区地铁隧道地层变形规律*

高丙丽，蔡智云，王金华，苏立君

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065; 3.武夷学院土木工程与建筑学院，福建武夷山354300;4.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055)

黄土地区地铁隧道地层变形规律*

高丙丽1，蔡智云2，王金华3，苏立君4

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065; 3.武夷学院土木工程与建筑学院，福建武夷山354300;4.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055)

∶地铁隧道的施工必然会对周围的岩土体产生扰动，岩土体的固结和次固结将使地层产生沉降变形，而地层中存在各式各样的地下管线，如果地层变形过大，将会危及这些管线的安全，如何确保地铁施工地下管线的安全是地铁施工的关键技术。研究黄土地区地铁隧道施工对周围邻近管线所处地层的变形影响规律的目的是在保证地铁隧道施工的同时，确保管线的变形满足管线的正常使用，为地铁隧道的安全高效施工提供技术支撑。以西安地铁一号线地铁施工工程为研究背景，在分析Peck经验公式的基础上给出修正后的预测地层变形公式，在此基础上，研究距隧道轴线不同距离处的地层变形规律，以及不同地层损失率对地层变形的影响规律。采用预测公式对西安地铁一号线某区间段地下管线所处地层的变形进行预测，同时进行现场监测，通过预测与实测结果的对比验证该预测方法确实可行。在盾构施工前可对构筑物所处地层的变形进行预测，并可采取有效地加固措施以减小地铁施工对其影响。

∶黄土地区;盾构施工;地层变形;管隧距离;地层损失

0 引言

随着城市建设规模的不断扩大，城市化进程越来越快，城市人口急剧膨胀，道路交通越来越拥挤，地铁具有运量大、安全、舒适等优点，很多大城市都在大规模的修建地下铁路，而地下铁路是在复杂的岩土体中进行修建。同时由于城市的需要，在地层中分布着各式各样的地下管线，诸如自来水管线、煤气管线、污水管线等，这些管线纵横交错，沿着城市的主要干道进行布置，而城市地铁为了满足运量的要求也是沿着城市主要干道进行布置，地铁施工必然对周围的土层产生扰动，使土层产生固结变形。土层变形达到一定程度时将对作用在其上方的管线产生影响，如果地层变形过大，将使管线下方的土层掏空，管线处于悬空状态，在自重及其上覆土层的重力作用下会产生变形，如果变形量过大将严重影响这些管线的正常使用，甚至造成严重的后果。因此研究地铁隧道施工对上覆土层的变形影响具有重要的理论研究意义和实用价值。

目前，国内外很多学者都对地铁隧道施工对邻近管线变形影响展开了研究。诸如魏纲［1］、吴波［2］、骆建军［3］、王霆［4］、王涛［5］、Attewell［6］、Newmark［7］、Ariman.T［8］等，并取得一定的成果，由于地下工程是一门非常复杂的学科，地下管网也是盘根错节，因此相关研究还存在一些不足，譬如大多都是直接研究管线的变形规律，而忽略了管线变形的主要导致原因是地层的变形［9-12］;再者，西安作为一个古城，地下构筑物密集而复杂，同时也是典型的黄土地区，目前国内外学者对此的研究比较少。因此需要进行深入研究，文中基于西安黄土地层盾构施工为工程背景，在分析Peck经验公式在预测地层变形中的应用基础上，对距隧道轴线不同距离处的地层变形规律，以及不同地层损失率对地层变形的影响规律展开研究。

1 Peck经验公式在地层变形中的运用

Mair等［9-10］通过对伦敦硬粘土及软粘土中隧道施工引起的地表下土体沉降的大量实测资料和离心模型试验结果的分析，指出地表下土体沉降可以用地面沉降的概率函数形式来大致描述。他认为，隧道施工后无论是地表还是地表以下土层的竖向位移均可用Peck经验公式来描述，如图1所示。

图1 隧道施工地层变形曲线Fig.1 Formation deformation curves of tunnel construction

则地层中距地表距离为Z处的位移曲线可用式(1)来表示

Mair在大量试验的基础上提出了∶距地表埋深为Z处的地层沉降槽宽度可按式(2)来确定

其中，K为沉降槽宽度系数，其取值与地层条件和施工方法等因素有关。

对式(1)积分可得，沿隧道轴线方向上单位距离的沉降槽面积(即地层损失)为

根据地层损失率的定义可知，隧道施工后单位长度的地层损失率计算式为

式中D为隧道等效直径，m;η为地层损失率，%.

根据式(3)和式(4)可得，距地表距离为Z的隧道施工后的最大地层位移为

则隧道施工后距地表距离为Z处的地层沉降曲线表达式为

2 不同埋深地层变形规律

根据式(6)可知，地铁隧道盾构施工后距地表任意距离的地层变形均可用Peck公式来表示。为了研究距地表不同埋深处地层的变形规律，现假设除地层所处埋深位置不一样，其他条件均相同。张引合［11］对西安地铁隧道盾构施工地层损失率和沉降槽宽度进行了分析并认为∶一般情况下地层损失率取η=0.7%～2.0%，沉降槽宽度系数取k =0.420～0.440是合理的，而西安地铁隧道埋深主要介于14～20 m之间，不同用途的管道埋深不一样，但其埋深主要介于地表以下1～4 m之间。故在文中计算过程中，取隧道埋深Z0=18 m，η= 1.5%，k=0.425，D=6.0 m，管道下表面距地表距离分别为Z1=1 m，Z2=2 m，Z3=3 m，Z4=4 m等4种情况。经计算可得，4种不同管道下表面地层的变形曲线，如图2所示。

图2 其他条件相同时距地表不同距离处地层位移曲线Fig.2 Formation displacement curves at different distances from the surface ground under the other same conditions

对图2分析可得，盾构施工后，距地表不同埋深处的地层在距隧道轴线1倍洞径左右处的变形量均相同，而对于隧道轴线±1倍洞径范围的土层随着地层埋深的增加，变形量逐渐增大，在隧道轴线正上方处地层变形量达到最大。而对于距隧道轴线±1倍洞径范围以外的地层变形量反而随着地层埋深的增加变形量逐渐减小。因此从保护管线的角度出发，垂直于隧道轴线的管道，管道埋深越大时，隧道施工后管道下方土层不均匀变形越大，这对于管道的保护是越不利的。从图2可以看出，在距隧道轴线±1倍洞径范围内，地层变形随其埋深的增大而增大，同时地层不均匀变形也逐渐增大，为了防止管道因地层的不均匀变形而产生破坏，在距隧道轴线±1倍洞径范围内应采取加固措施以减小地层不均匀变形，从而保证管道的安全。

3 不同地层损失率地层变形规律

为了研究不同地层损失率对地层变形的影响规律，现假设除地层损失率不同外，其他参数完全相同，取隧道埋深Z0=18 m，k=0.425，D=6.0 m，Z=2 m，地层损失率分别取η=0.8%，η=1.2%，η=1.6%，η=2.0%等4种情况。经计算可得，不同地层损失率条件下相同埋深处地层的变形曲线，如图3所示。

图3 相同埋深处地层不同地层损失率的变形曲线Fig.3 Deformation curves at the same buried depth with different formation loss rate

对图3分析可得，在其他条件相同时，相同埋深处的地层变形量随着地层损失率的增大逐渐增大，地层不均匀变形量也逐渐增大。地层损失率越大，地层不均匀变形越明显，地层的不均匀变形将使管道受力不均匀，从而导致管道的破坏。因此，在盾构施工时应尽量采取一些技术措施以减小地层损失损失率，从而减小地层的不均匀变形，减小管道的不均匀受力，以保证管道的安全。

4 工程运用

西安地铁一号线某区间段内埋设着各种各样的管道，这管道主要有自来水供应管道、污水管道、煤气管道、热力管道、通信管道等。该区间段管线埋深最小值为0.73 m，最大埋深为5.6 m，埋深主要分布在2.0～3.0 m之间，管线材料主要是钢筋混凝土结构，部分采用铸铁;结构断面主要是圆形，少数为方形;隧道埋深为16 m，该区间段地铁线路与管道平面关系图，如图4所示。

图4 地铁线路与管线平面关系图Fig.4 Plane between subway lines and the pipelines

根据该区间段管线的实际埋设情况，现选取埋深为2 m的管道为工程背景，对该区间段盾构施工地表沉降数据分析可得到该区间段盾构施工地层损失率取值在1.25%左右，沉降槽宽度系数取0.425.采用文中盾构施工后地层变形的预测方法对管道底部土层变形进行预测，盾构施工时，在距管道0.5 m的平面上钻孔至管道底部所在的平面上埋设位移监测点，并按照盾构施工变形监测标准进行位移监测。地层位移预测曲线与实测曲线对比图，如图5所示。

图5 预测曲线与实测曲线对比图Fig.5 Contrast between prediction and measurement curve

对图5分析可得，盾构施工后距地表2 m处的地层最大变形量位于隧道轴线正上方，位移最大值为20.5 mm，小于预测的最大值。实测的地层变形曲线沉降槽宽度大于预测的沉降槽宽度。这说明采用文中的方法可预测出盾构施工后地层的最大变形量，有利于采取措施对地层的变形进行控制，从而减小管道因下方土层的变形而产生的破坏。

5 结论

采用理论分析与工程实践相结合的方法，研究了盾构施工后不同地层处的变形特性，从而间接的分析了盾构施工对地层中管线的变形影响。

1)地层埋深不同时，在距隧道轴线1倍洞径范围以内，地层变形量随着地层的埋深增加而增加;在距隧道轴线1倍洞径处地层变形量不随其埋深的变化而变化;在距隧道轴线1倍洞径以外，地层变形量随其埋深的增加而减小。因而，为了保证管道的安全，应尽量增大管道与隧道之间的距离;

2)在其他条件相同时，管道所处平面的地层变形量随着地层损失率的增大而增大。因此，在盾构施工时应尽量采取一些技术措施以减小地层损失率，从而减小地层的不均匀变形，减小管道的不均匀受力，以保证管道的安全;

3)当地层中有重要构筑物时，可采用文中的方法对构筑物所处的平面地层变形情况进行预测，判断是否需要采取加固措施以保证构筑物的安全。

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Strata deformation laws of the pipeline caused by the subway tunnel in loess area

GAO Bing-li1，CAIZhi-yun2，WANG Jin-hua3，SU Li-jun4

(1.College of Civil and Architectural Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China; 2.Xibei Engineering Corporation Limited in Power China，Xi’an 710065，China; 3.College of Architectural and Civil Engineering，Wuyi University，Wuyishan 354300，China; 4.School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture＆Technology，Xi’an 710055，China)

∶The subway tunnel is built in complex geotechnical environment，its construction will inevitably disturb the surrounding rock and soil strata.Consolidation and secondary consolidation of disturbed soilwill induce settlement of the soil strata，which will jeopardize the safety of pipe lines in the strata. Therefore，it is necessary to study the laws of the overlying soil deformation caused by subway construction.The research objective is to guarantee for normal use of pipeline while in safe construction ofmetro tunnel，and provide technical support for safety and high efficiency construction ofmetro tunnel.This paper takes Xi’anmetro Line 1 as a research background，deformation formula to predict stratum aremodified based on Peck empirical formula，the laws of stratum deformation at different distance from the tun-nel axis and the influence of different stratum losswere studied.The prediction formula was used to predict the stratum deformation of an underground pipeline above the subway Line 1.The predicted results were compared with measured data，which showed good agreement between them.Therefore，we can use this predictionmethod to predict the stratum deformation before the shield construction of the tunnel，and take some effective reinforcementmeasure to reduce adverse influence caused by the subway construction.

∶loess area;shield construction;stratum deformation;distance of pipeline-tunnel;stratum loss

∶U 456.3

∶A

00/j.cnki.xakjdxxb.2015.0310

∶1672-9315(2015)03-0331-05

∶2015-02-10责任编辑∶李克永

∶国家自然科学基金(51278397)

∶高丙丽(1980-)，女，河南许昌人，副教授，E-mail∶gbl8001@126.com