区域地面沉降对上海地铁隧道长期沉降的影响评估

吴怀娜，顾伟华，沈水龙

（1. 上海交通大学土木工程系，上海 200240；2. 上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240；3. 上海申通地铁集团有限公司 上海 200122）

区域地面沉降对上海地铁隧道长期沉降的影响评估

吴怀娜1,2，顾伟华3，沈水龙1,2

（1. 上海交通大学土木工程系，上海 200240；2. 上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240；3. 上海申通地铁集团有限公司 上海 200122）

本文将上海地铁隧道监测值与上海地面沉降对比，揭示两者之间相关性及其差异。通过对地铁车站沉降规律的分析，提出了以地铁车站作为隧道深度范围的分层沉降标的分析方法，并采用插值样条曲线拟合隧道沿线下方的地层压缩量，从而确定地面沉降引起的隧道沉降量。基于上述方法对上海地铁一二号线由地面沉降及其它因素引起的地铁沉降量进行区分。结果表明2010年上海地铁一二号线各区间隧道的最大累积沉降量中区域地面沉降的影响占60%左右。

地面沉降；地铁隧道；互相影响；定量评估

上海地铁隧道采用盾构法施工，其衬砌是由管片拼接并由螺栓连接而成的柔性结构，在软土地层中极易产生不均匀沉降。针对上海地铁隧道持续不均匀沉降的现象，目前普遍认为影响因素包括[1～5]：区域性地面沉降；盾构隧道施工扰动引起后期沉降；邻近工程施工扰动；隧道渗漏水及漏泥、漏砂；列车动荷载引起下卧土沉降。这些因素相互影响、共同作用，使得隧道变形的原因往往难以区分。

地面沉降是上海市的主要地质灾害之一。自1921年开始监测地面沉降以来，上海市地面平均累积沉降量已超过2m，其原因主要为地下水资源开采引起的深层含水层变形[4～6]。地铁隧道的抗纵向变形弱，埋藏于地层当中，不可避免会受到区域地面沉降的“拖拽”作用而发生变形。相关研究已发现地铁隧道和地面沉降在时间和空间上存在着一定的相关性，但两者之间的定量化关系尚不明确[1,2,5]。对于当前所监测到的隧道沉降量，地面沉降引起的隧道沉降量所占比例尚不清楚。隧道沉降往往与隧道底板以上的地层压缩变形无关，而与隧道以下地层压缩有关。分层标在上海市范围内分布密度较小，且离地铁隧道大多相距较远，因而无法准确观测隧道沿线下方地层的沉降量，地面沉降引起的隧道的实际沉降量不得而知。

针对现有研究和技术的不足，本文通过对地铁车站沉降规律的分析，提出利用地铁车站沉降监测值确定地面沉降引起隧道沉降量的方法，并对上海地铁隧道的影响因素进行分析，以供相关工程借鉴。

1 隧道沉降与地面沉降监测结果的相关性及其差异

图1为不同时期上海地铁一号线沿线隧道沉降量与中心城区地面沉降量对比图。1995～2000年期间，上海市区域地面沉降较大，同期地铁隧道沉降量也总体较为严重；2001～2005年上海市地面沉降较小，相应的地铁隧道沉降量也较小。对比地铁隧道沉降、区间地面沉降特征，地铁隧道总体沉降特征与中心沉降相吻合。地铁隧道沉降明显的区段也是同时期地面沉降漏斗区，区域地面沉降空间格局决定了地铁隧道沉降总体趋势。

上海地面沉降标位于地表以下0.5m，地铁隧道埋藏深度在9m以上，由于浅层土体受工程建设影响产生变形，地面沉降量与隧道沉降量也存在着差异。如上海地铁4号线世纪大道站附近地铁2009年6月～2010年12月间沉降约为1.2 ～3.0mm。与之邻近的福山路浅式分层组标(FS17)显示该时期地面累积沉降量达20mm，沉降主要发生在隧道上方的第一软土层及其以浅土层，其余土层基本没有沉降或略有回弹。该地区地面沉降主要由周边工程建设对浅部软土层的扰动以及对浅部土层的降排水引起，对隧道沉降影响较小。

综上可知，隧道底板以上土层压缩变形对隧道变形影响甚微，隧道下方地层的沉降对隧道沉降起着控制性的作用。当前分层沉降标组在上海分布较为稀疏，利用分层标确定隧道沿线下方地层沉降量仍有困难。

2 基于车站沉降监测的隧道下方地层沉降量计算方法

2.1 车站沉降与下方地层沉降的相关关系

地铁车站在长期运营中有着可观的沉降量，究其原因主要包括以下两点：区域性地面沉降；车站长期运营中列车及人群荷载对下方土体产生的附加应力，造成下方土体压缩变形。下面以上海地铁某地铁站为例分析后者对车站长期沉降的影响。

图1 上海地铁1号线沿线隧道沉降与中心城区地面沉降对比Fig.1 Comparison of tunnel settlement and land subsidence along Line No. 1

该为地下3层岛式站台车站，车站全长170m。车站站台中心线处基坑深度约19.6m。基坑围护结构采用1000mm厚地下连续墙，墙深37m。南端头井处基坑深度约为21.4m，端头井墙深为38m，采用1000mm厚地下墙。图2为地铁车站中心处结构横断面及场地地质剖面图。地下水水位为地下0.5m。地铁车站施工前，土体为正常固结状态。车站底板位于⑤黏土层内。经固结试验测得，⑤黏土层的压缩指数Cc=0.295，回弹指数Cs=0.032。

（1）荷载分析

车站下方土体需经历以下荷载变化过程：基坑开挖使土体卸载回弹；车站施工后对下方土体重新加载；车站运营后列车、人群荷载传递到土体的再加载。下面分别对各步骤荷载进行计算。

基坑开挖土体卸载量为：

地铁车站施工后加载量统计如表1所示，其中结构重度按γ=25kN/m3计算。经计算，车站自重及上覆荷载共计5232.87kN/m。地铁车站结构所受浮力为Fstn=(15.087-3.7) ×10×25.5=4790.69kN/m。因此，施工完成后对下方土体的实际加载量为F =5232.87-4790.69=442.18kN/m，相当于堆载Δp2=442.18/25.5=17.34kN/m2。

图2 上海某地铁站横断面Fig.2 Cross sectional view of railway station

表1 地铁车站结构自重和上覆荷载Table 1 Structure deadweight of station and overburden_

后期运营中的荷载主要为人群荷载和列车荷载。人群荷载以设计荷载为准，即站台、站厅、楼梯、车站管理人员用房等部位按4kPa计，并且取准永久值系数0.5[8]。列车荷载以上下行线列车同时进站为准，列车为8节编组A型列车(轴重16t)，并且取准永久值系数0.6[8]。列车通过车站底板传递到土体的平均荷载为160×32/180×2/25.5×0.6=1.3kN/m2。因此，后期运营对车站下方土体的总荷载约为Δp3=3.3kPa。

（2）基于e-logp关系的地基沉降计算

图3为车站下方土体理想化的压缩及回弹曲线，车站施工及后期运营过程中下方土体孔隙比-应力变化路径为：车站施工前土体为正常固结土，初始自重应力为147.94kN/ m2，即图中A点；基坑开挖后对土体产生卸载作用，土体从A点沿着回弹曲线路径移动到B点，孔隙比增加至1.07，此时土体处于超固结状态；车站施工后对土体重新加载，加载量为17.34kN/m2，土体从B点沿着再压缩曲线移动至C点，此时孔隙比为1.03。由于车站的加载量远远小于开挖卸载量，此时车站下方土体仍处于超固结状态；后期运营中，土体受上方人群及列车荷载，从C点继续沿再压缩曲线移动至D点，孔隙比略有减小，为1.027。

根据e-logp曲线和分层总和法可以计算出车站运营过程中的长期沉降量。无侧向变形条件下压缩量的基本

公式为：

式中，Si=第i分层的压缩量(m)；p0i=第i分层的平均应力(kPa)；Δp0i=第i分层的应力增量(kPa)；Hi=第i分层的厚度(m)；e0i=第i分层的初始孔隙比；Δe0i=第i分层的孔隙比变化量；Csi=第i分层的回弹指数。应力增量随深度的衰减可根据Osterberg(1957)给出的参照图计算。经计算，车站后期运营中由人群荷载和列车荷载引起的沉降量约为1.87mm。

上述计算尚未考虑地下连续墙对附加荷载的分担作用。实际上，车站内部荷载一方面通过地下连续墙的侧摩阻力传递到侧边土体，另一方面通过地连墙及抗拔桩底部传递到地基中。地下连续墙已到达第⑥硬土层，该层为上海桩基主要持力层。因此，实际车站由人群荷载和列车荷载引起的沉降量几乎为零。换句话说，车站长期沉降是由整个上海区域性地面沉降引起的，车站沉降量等同于同等深度的地层沉降量。

图3 车站下方土体理想化的压缩及回弹曲线Fig.3 Idealised compression, swelling of soils under station

2.2 隧道下方地层沉降的插值样条拟合

基于上述分析，本研究提出了一种隧道沿线下方地层沉降的计算方法：以车站作为隧道沿线土层的“沉降标”，车站沉降量即为隧道埋藏深度土层的沉降量；以车站为型值点，通过三次样条插值拟合法计算隧道沿线下方地层的沉降量。图4为隧道沿线下方地层沉降的计算方法示意图。

图4 隧道沿线下方地层沉降的计算方法Fig.4 Calculation method of ground settlement under tunnel

隧道下方地层沉降主要是由深层含水层地下水抽取引起的，其沉降与地下水水位相协调，影响范围往往较广，不会在局部出现沉降突变的情况，因此隧道沿线下方地层的沉降曲线应该是一条光滑曲线。由于地铁车站沉降量等于隧道埋藏深度的地层沉降量，通过地铁车站监测可以在隧道沿线上获得地层沉降数组S=[S1, S2, S3…]。上海市中心地铁车站间距普遍为0.8～1.2km，一般小于地面沉降的变化范围。因此，可以以地铁车站沉降数组为型值点作平滑曲线拟合，该平滑曲线就是隧道沿线下方地层沉降曲线。

3 上海地铁实例分析

3.1 上海1号线沉降成因分析

图5为地面沉降引起的地铁1号线纵向累积沉降曲线。如图所示，1号线沿线隧道下方地层沉降量普遍小于地面沉降量，沉降格局与地面沉降的空间分布相近，表明本研究提出的计算方法具有一定的可行性。比较隧道下方地层沉降和隧道沉降量，下方地层沉降的不均匀性使得隧道在纵向上表现出不均匀沉降。各区间隧道下方地层沉降和隧道沉降趋势总体一致。上海体育馆区域地面沉降远远大于隧道下方地层沉降可能是该区域密集建筑施工引起的。衡山路站左右两侧隧道下方地层沉降量大于隧道本身沉降量，可能是由于：上方开挖卸载土体回弹；车站因上部堆载而沉降过大；地面或车站沉降测量存在误差。受其它因素的影响，隧道局部还表现出剧烈的纵向变形。其它因素引起1号线的沉降量在-80～110mm区间。

图5 上海区域地面沉降引起的1号线累积沉降量Fig.5 Tunnel settlement of Line 1 caused by land subsidence

3.2 区域地面沉降引起2号线沉降量

图6为区域地面沉降引起的地铁2号线纵向累积沉降曲线。2号线隧道下方地层沉降量与隧道沉降的空间分布总体一致。除个别区间外，隧道沉降量大于下方地层沉降量。图7为其它因素引起的地铁2号线累积沉降曲线。其它因素引起的沉降量约为-100～85mm，江苏路-静安寺区间、人民广场-南京路区间最大沉降量超过50mm，分别为85mm、70mm。南京东路-陆家嘴区间区间隧道位于黄浦江河床底下，水的浮力较大，上覆土层厚度小，加上河床常年的冲淤作用使河床不稳定，隧道浮力大于隧道本身自重及覆土重力而表现为上浮。无独有偶，上海科技馆-世纪公园区间隧道约有20mm的上浮，上浮段正好位于世纪公园镜天湖下方。

3.3 地面沉降引起的隧道沉降比例

图6 上海区域地面沉降引起的2号线累积沉降量Fig.6 Tunnel settlement of Line 2 caused by land subsidence

图7 其他因素引起的2号线累积沉降量Fig.7 Tunnel settlement of Line2 caused by other factors

取2010年各区间最大累积沉降点位置处的隧道沉降量和地面沉降引起的隧道沉降量绘制相关关系图，结果如图8所示。可以看出，2010年隧道总沉降量中约62.5%为地面沉降引起的。

图8 地面沉降引起的隧道沉降量与隧道总沉降量关系Fig. 8 Relationship between tunnel settlement caused by land subsidence and the total settlement

4 总结

上海市地铁隧道沉降与下方土体的沉降有关，与隧道上方土体的压缩无关。通过对地铁车站和区间隧道长期沉降监测数据的分析，得出结论如下：

（1）对于无邻近施工影响的地铁车站，其长期沉降是由整个上海的区域性地面沉降引起的，车站沉降量等同于同等深度的地层沉降量。据此，本文提出一种计算地面沉降引起隧道沉降量的新方法：将地铁车站作为隧道深度的分层沉降标，以地铁车站沉降量为型值点，采用三次样条插值曲线进行拟合，所得曲线即为隧道沿线下方地层沉降量。

（2）利用本文提出的方法对上海市地铁1、2号线隧道沉降量进行分析。结果表明，由于隧道下方地层在空间上表现出较大的差异沉降，隧道在纵向上差异沉降也较大。除个别区间外，隧道的累积沉降量总体大于下方地层沉降量。2010年各区间隧道的最大累积沉降量中约60%左右为区域地面沉降引起的。

（3）2010年上海地铁1、2号线隧道沉降量中由其它因素引起的沉降量为-100～110mm。其它因素主要引起隧道下沉，局部江中段隧道受水浮力的影响会产生明显的上浮。

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Evaluation of the influence of land subsidence on the long-term settlement of metro tunnels in Shanghai

WU Huai-Na1,2, GU Wei-Hua3, SHEN Shui-Long1,2
(1. Department of Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 3. Shanghai Shen tong Subway Group Co., Ltd, Shanghai 200122, China)

This paper presents the correlation and difference between land subsidence and tunnel settlement, based on field monitoring data. A method to evaluate tunnel settlement caused by land subsidence was proposed. The settlement of metro stations was assumed to be caused almost entirely by local land subsidence, and this was verified based on a load transfer analysis. Based on this assumption, the proposed method considers the stations as the layer-wise mark at the depth of tunnel and uses a cubic spline function to fit the line of the station points. The derived curve represents the ground settlement under tunnels, which is the tunnel settlement caused by land subsidence. With the proposed method, the tunnel settlement caused by land subsidence in Shanghai Metro Line No. 1 and No. 2 was analyzed. The results indicated that the tunnel settlement caused by land subsidence generally accounts for about 60% of the maximum settlement for each tunnel section in 2010.

land subsidence; subway tunnel; interaction; quantitative evaluation

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0009-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.003

2017-04-05

修回日期: 2017-05-04

吴怀娜(1987-),女,博士,助理研究员,主要从事隧道与地下工程研究.

电子邮箱: wu-hn@sjtu.edu.cn

联系电话: 021-34204301

国家自然科学基金青年基金“考虑剪切错台变形的软土盾构隧道纵向结构计算模型研究”(51508323)