CN109268068A - 冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降控制值的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地铁隧道工程技术领域，是一种冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降控制值的预测方法，包括以下步骤第一步：确定隧道开挖引起的地表下沉W(1)；第二步：计算由冻结引起的地面上升W₂(X)；第三步：计算冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)；第四步：利用隧道开挖引起的地表下沉W(1)、冻结引起的地面上升W₂(X)和冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)计算地表各点的最终地表下沉W(X)。本发明完成了对冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降的预测，并综合考虑了围岩稳定、地表建筑物、地下管线等因素，分别确定其允许地表沉降值，并取其最小值作为控制基准值，提高了对冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降预测的准确性和可靠性，更有利于为实际施工提供可靠的数据参考。

Description

冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降控制值的预测方法

技术领域

本发明涉及一种地铁隧道工程技术领域，是一种冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降控制值的预测方法。

背景技术

随着社会的高速发展，城市人口密集，空间拥挤，交通堵塞，开发利用城市地下空间是21世纪城市发展的必经之路，国际上许多学者将21世纪称之为“地下空间开发利用的世纪”，目前在振兴东北和西部大开发的建设浪潮中，高寒地区将会出现越来越多在建或者建成的寒区隧道。寒区多年冻土隧道由于具有特殊的围岩组成，对水和热更为敏感，会产生许多病害。例如由于土层冻结要发生冻胀，引起地面隆起，冻土解冻时融化又会出现融沉，引起地表下沉，从而冻胀及融沉现象会对隧道的施工产生不良影响。各国在建设寒区多年冻土隧道中都曾遇到了严重的病害，建设单位在处治过程中会耗费大量的时间，同时也增加了建设成本。

发明内容

本发明提供了一种冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降控制值的预测方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有技术中存在的不能对冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降进行预测，不利于实际施工的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降控制值的预测方法，包括以下步骤：

第一步：确定隧道开挖引起的地表下沉W(1)，具体如下：

(一)计算距离隧道中心线横向距离x处的地表沉降值S_X，计算公式如下式所示：

其中，V为隧道开挖单位长度地层损失量；

(二)根据地表沉降值计算地表最大沉降值S_MAX，计算公式如下式所示：

(三)取为地面沉降曲线反弯点与远点的距离，确定沉降槽宽度系数；

其中，Φ为土体的内摩擦角，H为隧道拱顶至地表的距离，R为隧道半径；

(四)将式(1)带入式(2)，计算隧道开挖引起的地表下沉W(1)；

第二步：计算由冻结引起的地面上升W₂(X)；

第三步：计算冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)；

第四步：利用隧道开挖引起的地表下沉W(1)、冻结引起的地面上升W₂(X)和冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)计算地表各点的最终地表下沉W(X)，计算公式如下

W(X)＝W(1)+W₂(X)+W₃(X)。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述第二步计算由冻结引起的地面各点的隆起W₂(X)的具体过程如下：

(一)计算冻胀系数ε₁，计算公式如下所示：

其中：h为岩土的冻结长度；△h为岩土的冻胀量；

(二)计算在岩土开挖时，距地表η处的地下单元膨胀体dεdη产生的地表一点单元隆起W_e(X)，计算公式如下所示：

(三)各单元膨胀dεdη引起的地表一点单元隆起W_e(X)在地表进行叠加，地层冻结引起的地面上升W₂(X)如下所示：

其中：Ω为冻结区域。

上述第三步计算冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)的具体过程如下：

(一)计算冻胀系数ε₂，计算公式如下所示：

其中：h为冻土的融化层厚度；△h为冻土的稳定融缩量；

(二)设定隧道开挖断面为圆形，初始半径为A，隧道建成后半径均匀收缩了△A；地层冻结完成时，冻结环的外半径为R，隧道建成后，冻结完成后地层解冻前冻结环的外半径R₃和地层解冻后冻土的径向融缩量△R分别如下所示：

R₃＝R-ΔA (9)

ΔR＝ε₂(R₃-A) (10)

(三)计算冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)；

其中：r₁＝R-ΔA-ε₂(R-ΔA-A)；r₂＝R-ΔA；θ₁＝0；θ₂＝2π。

本发明将隧道开挖引起的地表下沉W(1)、冻结引起的地面上升W₂(X)和冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)进行叠加，确定冻土地区地铁隧道施工过程中的最终地表下沉W(X)，从而完成了对冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降的预测，并综合考虑了围岩稳定、地表建筑物、地下管线等因素，分别确定其允许地表沉降值，并取其最小值作为控制基准值，提高了对冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降预测的准确性和可靠性，更有利于为实际施工提供可靠的数据参考。

附图说明

附图1为本发明的流程图。

附图2为本发明的单元体膨胀地面隆起示意图。

附图3为本发明的冻土融沉地表下沉示意图。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如附图1、2所示，该冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降控制值的预测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：确定隧道开挖引起的地表下沉W(1)，具体如下：

(一)计算距离隧道中心线横向距离x处的地表沉降值S_X，计算公式如下式所示：

其中，V为隧道开挖单位长度地层损失量；

(二)根据地表沉降值计算地表最大沉降值S_MAX，计算公式如下式所示：

(三)取为地面沉降曲线反弯点与远点的距离，确定沉降槽宽度系数；

其中，Φ为土体的内摩擦角，H为隧道拱顶至地表的距离，R为隧道半径；

(四)将式(1)带入式(2)，计算隧道开挖引起的地表下沉W(1)；

第二步：计算由冻结引起的地面上升W₂(X)；

第三步：计算冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)；

第四步：利用隧道开挖引起的地表下沉W(1)、冻结引起的地面上升W₂(X)和冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)计算地表各点的最终地表下沉W(X)，计算公式如下

W(X)＝W(1)+W₂(X)+W₃(X)。

根据我国《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》(TB10108-2002)、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)和《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)，并通过参照国外有关资料及对我国一些工程的实测数据进行统计分析的基础上，确定如表1所示的洞围允许相对位移值，即洞围允许相对收敛值；表1中1)相对位移值是指实测位移值与两侧点距离之比，或拱顶位移值与隧道宽度之比；2)坚硬围岩取小值，软弱围岩取大值。

具体实施时，隧道周边任意点的实测相对位移值均应小于规定值，因此当位移速率无明显下降时，实测相对位移值已接近表中规定值，或者当支护混凝土表面已出现明显裂缝时，必须采取补强措施，并改变施工方法；一般收敛管理基准值定为：收敛变形速度3mm/d至4mm/d，最大变形值20mm至50mm；

由上可建立如表2所示的国内外地铁工程施工量测数据管理标准对照表，根据此表，本发明可将隧道开挖引起的地表下沉W(1)设定为30MM。

本发明将隧道开挖引起的地表下沉W(1)、冻结引起的地面上升W₂(X)和冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)进行叠加，确定冻土地区地铁隧道施工过程中的最终地表下沉W(X)，从而完成了对冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降的预测，并综合考虑了围岩稳定、地表建筑物、地下管线等因素，分别确定其允许地表沉降值，并取其最小值作为控制基准值，提高了对冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降预测的准确性和可靠性，更有利于为实际施工提供可靠的数据参考。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

如图1、2所示，第二步计算由冻结引起的地面各点的隆起W₂(X)的具体过程如下：

(一)计算冻胀系数ε₁，计算公式如下所示：

其中：h为岩土的冻结长度；△h为岩土的冻胀量；

上述冻胀系数ε₁为反映岩土冻胀强弱的指标，它指单位冻胀长度所引起的冻胀增量，本发明中表示土体在外观上冻胀位移和变形的强弱。

(二)计算在岩土开挖时，距地表η处的地下单元膨胀体dεdη产生的地表一点单元隆起W_e(X)，计算公式如下所示：

这里地层中岩土冻结后产生冻胀，引起岩土体积增大，冻胀作用反应到地表面，即引起地面隆起。如图2所示，在平面变形条件下,距地表η处的地下单元膨胀体dεdη产生的地表一点单元隆起W_e(X)如公式(6)所示。

(三)各单元膨胀dεdη引起的地表一点单元隆起W_e(X)在地表进行叠加，地层冻结引起的地面上升W₂(X)如下式所示：

其中：Ω为冻结区域。

设定冻胀系数ε₁，地层冻结完成时，冻结环的外半径从R₁膨胀至R，因此地层冻结引起的地面上升W₂(X)可变形为下式：

其中：r₁＝R₁；r₂＝R；θ₁＝0；θ₂＝2π。

上述地层冻结引起的地面上升为在含水的表土层或者风化基岩中，当温度降低到结冰温度或更低时，岩土体中大部分水冻结并胶结成固体颗粒，形成冻土；冻土的形成过程，实际上是土体中裂隙水结冰并胶结固体颗粒的过程；土中水可以分为吸附水、薄膜水和自由水，吸附水和薄膜水在土中含量很少，吸附水要到-180℃才能冻结，薄膜水要到-20℃至-30℃才能全部冻结；而自由水存在于岩土空隙中，与普通水一样，在标准大气压下结冰点为0℃；因此冻结法施工中，主要是冻结自由水，它在岩土层中含量的多少，直接影响冻结效果；在标准大气压下，水结成冰体积要增大9％，土体在冻结时，一方面土体中原有裂隙水冻结成冰，另外未冻结部分的水分不断向冻结峰面迁移、聚集，水结冰致使岩土体积膨胀，这种现象叫土的冻胀作用，简称冻胀。岩土的冻胀为冻结过程中自由水结成冰导致的岩土膨胀和水分迁移引起的二次膨胀之和。

土的冻胀性与土体颗粒粒径、土体的矿物组成和含水量等多种因素有关，也与土的冻结速度有关。对于砂土、砾石这类地层，一般不会出现明显的冻胀现象；冻胀主要出现在粘性土质的冻结过程中。就软土而言，其土性主要有淤泥质粘土、粘土和粉质粘土等，含水量普遍较高，具有较强的冻胀特性。

如图1、3所示，第三步计算冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)的具体过程如下：

(一)计算冻胀系数ε₂，计算公式如下所示：

其中：h为冻土的融化层厚度；△h为冻土的稳定融缩量；

(二)如图3所示，设定隧道开挖断面为圆形，初始半径为A，隧道建成后半径均匀收缩了△A；地层冻结完成时，冻结环的外半径为R，隧道建成后，冻结完成后地层解冻前冻结环的外半径R₃和地层解冻后冻土的径向融缩量△R分别如下所示：

R₃＝R-ΔA (9)

ΔR＝ε₂(R₃-A) (10)

(三)计算冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)；

其中：r₁＝R-ΔA-ε₂(R-ΔA-A)；r₂＝R-ΔA；θ₁＝0；θ₂＝2π。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

表1洞围允许相对收敛值

表2国内外地铁工程施工量测数据管理标准对照表

Claims (3)

1.一种冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降控制值的预测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：确定隧道开挖引起的地表下沉W(1)，具体如下：

(一)计算距离隧道中心线横向距离x处的地表沉降值S_X，计算公式如下式所示：

其中，V为隧道开挖单位长度地层损失量；

(二)根据地表沉降值计算地表最大沉降值S_MAX，计算公式如下式所示：

(三)取为地面沉降曲线反弯点与远点的距离，确定沉降槽宽度系数；

其中，Φ为土体的内摩擦角，H为隧道拱顶至地表的距离，R为隧道半径；

(四)将式(1)带入式(2)，计算隧道开挖引起的地表下沉W(1)；

第二步：计算由冻结引起的地面上升W₂(X)；

第三步：计算冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)；

第四步：利用隧道开挖引起的地表下沉W(1)、冻结引起的地面上升W₂(X)和冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)计算地表各点的最终地表下沉W(X)，计算公式如下

W(X)＝W(1)+W₂(X)+W₃(X)。

2.根据权利要求1所述的冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降控制值的预测方法，其特征在于第二步计算由冻结引起的地面各点的隆起W₂(X)的具体过程如下：

(一)计算冻胀系数ε₁，计算公式如下所示：

其中：h为岩土的冻结长度；△h为岩土的冻胀量；

(二)计算在岩土开挖时，距地表η处的地下单元膨胀体dεdη产生的地表一点单元隆起W_e(X)，计算公式如下所示：

(三)各单元膨胀dεdη引起的地表一点单元隆起W_e(X)在地表进行叠加，地层冻结引起的地面上升W₂(X)如下所示：

其中：Ω为冻结区域。

3.根据权利要求1或2所述的冻土地区地铁隧道施工引起地表沉降控制值的预测方法，其特征在于第三步计算冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)的具体过程如下：

(一)计算冻胀系数ε₂，计算公式如下所示：

其中：h为冻土的融化层厚度；△h为冻土的稳定融缩量；

(二)设定隧道开挖断面为圆形，初始半径为A，隧道建成后半径均匀收缩了△A；地层冻结完成时，冻结环的外半径为R，隧道建成后，冻结完成后地层解冻前冻结环的外半径R₃和地层解冻后冻土的径向融缩量△R分别如下所示：

R₃＝R-ΔA (9)

ΔR＝ε₂(R₃-A) (10)

(三)计算冻土融化所导致的地表下沉W₃(X)；

其中：r₁＝R-ΔA-ε₂(R-ΔA-A)；r₂＝R-ΔA；θ₁＝0；θ₂＝2π。