地铁施工中地下建筑物对地表沉降的控制标准

吕龙博

（西安市地下铁道有限责任公司工程三处，陕西 西安 710018）

1 地表沉降形成原因及对房屋结构的影响

伴随着我们西安地铁工程二号线的运营，一号线、二号线南延段、三号线全线及四号线试验段的建设，随之而来也产生了一些有待解决的难题，其中之一就是在地铁工程施工过程中带来的地表沉降和对上层建筑物结构稳定性的影响。地铁工程受自身工程特点的限制，多存在于人口密集、建筑物存在紧密的经济发达区域，又因为施工强度较大，在岩土开发过程中，对土体本身造成一定的影响是不可避免的。这就会引起洞室周围的地表产生形变，当这种形变累计到一个特定的限度时，就会对周围建筑物、道路、管线产生安全威胁。这其中影响最为严重的就是对房屋结构，总结归纳下来大体可以分为三个方面：第一是对房屋上部结构的损坏。在地下开挖过程中产生的不规则沉降对结构内力产生影响，可能导致房屋建筑物开裂，严重的甚至会造成结构失稳而坍塌；第二就是对建筑物地下结构的损害，尤其是基础部分。地下作业导致的土体变形不仅仅体现在沉降一个方面，同时还会在水平方向产生拉压应力，如果不加以控制，可能对基础的稳定性产生不可估量的危害。第三则是由于对土体的扰动破坏，可能会导致土体松弛，大大减少地基承载力。因此在城市地铁规划方面，应该做好事先的调查工作，尽量避免土体开挖对周围造成干扰，有效控制沉降。根据以往地铁建设经验来看，目前的地铁施工技术还有待进一步完善，地表沉降造成的大小事故仍然屡见不鲜，一旦发生了建筑物开裂、倾斜、管道破裂等事故，就会对市民的正常生活造成影响，甚至威胁生命财产安全，这就与地铁工程服务百姓的目的背道而驰。事故产生所造成的经济影响和工期拖延则会增加地铁施工的成本，所以一定要对地表沉降提高重视程度，把沉降控制在标准的安全范围之内。

2 地表沉降的控制标准

2.1 按照地表环境的基本要求分析沉降的控制标准

地层的不均匀沉降地下建筑物的影响，主要体现在对结构的影响方面，土体的横向拉压应力会对地下建筑内部的应力造成影响，引发建筑物的倾斜、失稳、或者坍塌。根据我国相关规范对建筑物倾斜度的限制，砌体结构的建筑承重基础的局部倾斜应控制在百分之三以内，多层和高层民用建筑的基础局部倾斜程度要控制在百分之一到百分之四之间，根据高度不同严格进行规范。依据这些规范所给出的倾斜标准，加上实际工程施工中的测量结出的沉降宽度，就可以通过计算，得出地表沉降最大的下沉允许值。根据以往的施工经验，地表的横向沉降规律可以近似于著名的peck曲线来进行计算，公式:距离隧道中心的轴线为x处的地表沉降值S(x)等于Smaxexp[-x2/(2i2)]。m，i是地表沉降槽的宽度大小。它的曲线为沉陷槽形状，类似于概率论中的正态分布曲线。

假设地下建筑物相邻梁和柱之间的间距，小于或者等于沉降槽拐点，因为地下建筑的下部产生的倾斜值应该小于或者等于有关规范的允许倾斜值，所以差异沉降值ΔS与地下建筑相邻梁和柱的距离L的比值，应该小于或者等于地下建筑物规范中允许的倾斜值。根据peck的曲线走势可知，在拐点处的曲线斜率应该最大，在这种极限条件约束下的坡值应该小于或者等于相应可允许倾斜值。可根据极限条件得出地表能允许的最大沉降值为:S等于拐点的最大斜率i比0.61，再乘以地下建筑允许倾斜值。

另一种情况，当建筑物临近的柱间距很大，达到或者超过地表沉降槽的宽度i的两倍时，沉降对于地下建筑物的影响就不仅仅局限在倾斜这一个方面，随之而来的还有承载受力的梁和柱的弯曲形变。当沉降量超于一个极限值的时候，可能会导致地下建筑物的梁和柱因承担不了弯曲形变而产生断裂，或者底板结构因挤压而产生裂缝，影响结构安全。若根据地下建筑物结构的允许应变作为计算极限的控制基准，则地下结构的梁、柱、板所能承受的应变[ε]等于梁板的极限抗拉强度[σ]与所用材料弹性模量E的比值。这种情况下，沉降量在地下建筑物梁。板与隧道纵向成90度时，取值最小。

2.2 在地表环境条件约束下分析地表沉降控制标准

2.2.1 根据拱顶的下沉最大极限来推算地表沉降标准值。经过多年的施工现场经验和累计的理论分析表明，决定浅层地下工程稳定程度的条件，拱顶下沉极限值起到的作用一般比水平收敛极限值起到的作用要更为明显。梳理好拱顶位移大小和地表中线位移大小的换算关系以后，就可以将拱顶的控制标准，经过计算，换算成地下沉降标准来使用。

2.2.2 根据地层极限变形推算地表沉降标准值。地层终极破坏极限状态的最大沉降量Smax应该等于曲线拐点到中心的距离比0.61，乘以周围岩体的极限剪性应变γp，或者乘以经验系数K和弱面走向和水平面夹角β的乘积。

2.2.3 根据车站的安全运营系数来确定地表沉降标准值。根据铁路部门相关的维修规则规定：若存在两股钢轨顶面水平偏差，正线的偏差不得大于4毫米，其他的站线不得大于5毫米。但是如果有水平差大于等于4毫米的三角坑存在于延长不足18米的距离之内时，则有可能会地铁较少荷载或者轨道悬空，会产生地铁出轨的可能。按照曲线的发展趋势，由于轨道高低不平所得出的地表沉降允许值Smax等于铁路的轨道允许10m弘量的最大值[δ]与测量弦长L的比值的二倍。

由以上几方面可以得出的几个地表沉降标准值中，在建筑物允许的沉降值和地层允许的沉降值之间，选择比较小的一个作为沉降控制标准值，然后再考虑轨道上有车辆运行的时候，根据实际情况再次修改沉降标准。

结语

地铁隧道开挖导致的土体形变以及地面沉降现在看来是无法避免的，当地表沉降达到一定的程度时，就会对上层建筑或下层基础造成影响，所以地铁隧道的施工对于沉降的控制就显得尤为重要。在发展施工技术水平的同时，要做好人为可避免的工程事故，从而确保在建筑物结构整体安全的情况下，完整有序的进行施工。

[1]阳军生，刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北京:中国铁道出版社.2002.

[2]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教育出版社.2004.