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关于软土地区地铁道床沉降特征及其诱发因素分析

作者:2017-01-19 15:43文章来源:未知
  0引言
  上海从1990年1月地铁一号线建成通车至2010年底共有11条轨道交通线正式投入运营,运营里程达410km。地下轨道交通的建成运营有效地缓解了地面交通拥挤状况,取得了良好的社会、经济和环境效益。伴随着轨道交通网的建设和运营,多条地铁线路产生了不均匀沉降,严重影响着列车的正常运营。引起运营地铁隧道纵向沉降的主要因素包括:隧道周围地层的土性、地面沉降、隧道周围或下卧承压含水层地下水位、区间隧道的渗漏、列车运营中振动荷载等。由于上海地区地铁隧道一般贯穿于地表下10~30m的软黏性土体中,这种软弱土层对地铁运营安全易产生不良影响。
  本次针对上海软土地质环境,结合可利用的4条线路(文中编号为A、B、C、D)道床长期沉降监测资料,分析了地铁隧道沉降特征,在此基础上深入分析了地铁隧道沉降与地质环境因素之间的相互作用关系。
  1沉降特征
  4条线路的建设运营时间顺序为A线路最早,其次为B、C、D。从沉降监测结果来看,A线路1995—2010年全线平均累计沉降-111.1mm,最小累积沉降量为-2.2mm。在监测点260~340之间和560~780之间出现两个沉降漏斗,漏斗中心最大沉降量分别为-210.5mm和-294.9mm。
  从B线路沉降监测结果来看,B线路1999—2010年全线平均累计沉降量为-57.9mm;最大回弹量为11.8mm,最大累计沉降量上行线为-161.6mm。监测点480~1080和1260~1440区间沉降量较大,其中1080~1260区间为过黄浦江段,沉降曲线呈现一个相对隆起的凸峰,相对峰值约-12mm;1350~1440是全线沉降最大的区段,最大沉降量达-161.6mm。
  C线路总体累计沉降不大,但在空间上存在较为明显的不均匀沉降现象,全线最大累计回弹量为30.2mm,最大累计沉降量为-170.1mm,其中监测点2201附近及7001~7201区间沉降最为明显。
  从D线路沉降监测结果来看,D线路整体沉降趋势平稳,平均累计沉降量-4.4mm。有些区段略有抬升,但个别区段沉降量较大,其中以监测点2601~2901之间和3301-3601之间累计沉降最大,最大累计沉降量分别达到-97.9mm和-49.4mm。
  2地质环境影响因素
  上海建筑工程涉及的地基土层一般在75m以浅,主要为晚更新世以来海陆交替相、以海相为主的松散堆积物,岩性以黏性土和砂、粉性土为主,且软黏性土分布较广泛。按物理力学指标特性,结合形成时代与成因,自上而下共划分为9个主要工程地质层,即第①层填土,第②1层褐黄—灰黄色粉质黏土(表土层),第②3层粉性土层(浅部砂层),第③、④层灰色淤泥质黏性土层(第一压缩层),第⑤层灰色黏性土层(第二压缩层),第⑥层暗绿—草黄色黏性土层(第一硬土层),第⑦层草黄—灰色砂、粉性土层(第一承压含水层),第⑧层灰色黏性土夹粉性土层,第⑨层砂性土层(第二承压含水层)。基于区域工程地质条件特征,结合施工技术条件,地铁隧道通常以第一、二压缩层作为工程承载体。
  2.1下卧层地层结构的影响
  隧道穿越地区下卧层地层结构差异较大,不同土层的工程地质特性以及施工阶段对土层的扰动程度不同,均可导致隧道产生明显的差异沉降。隧道穿越地区下卧层对隧道沉降影响主要体现在:
  (1)下卧层中存在⑥层暗绿色硬土层,且压缩层厚度较小的区段,地铁隧道沉降一般较小。⑥层暗绿色硬土层为湖沼相沉积地层,后期经脱水固结,结构较密实,该层分布较为稳定。该层具有含水量低、压缩性低和强度高等特点,土性好。该层土除本身不易压缩变形外,还能一定程度上消散或滞后轨道交通隧道的附加应力向深部土层扩散,因此,该层土的存在对控制轨道交通总体沉降特征有重要意义。
  从A线路沿线工程地质层分布情况可以看出,监测点420~460区间地铁隧道为正常沉积地层,且⑥层暗绿色硬土层埋深较浅,⑤层黏性土厚度一般12m±,A线路累计沉降曲线反映出该区段总沉降量较小,1995—2010年间累计沉降38.7~75.3mm,年均沉降速率仅2.42~4.71mm/a。
  (2)下卧土层中压缩层较厚区段,地铁隧道沉降一般较大。
  A线路监测点560~780之间地铁隧道区段是A线路沉降范围最大、累计沉降量最大的区段,通过分析该区段沿线地层分布情况可以看出,自监测点561附近以西约500m至监测点681附近以南约180m区段属古河道切割区,隧道下卧⑤层灰色黏土层厚度较大,最厚达39m,平均厚度达24.32m,且无⑥层暗绿色硬土层分布,该区段下卧较厚软黏土层的分布导致该区段发展成为A线路沉降变形最大的区段。
  (3)隧道穿越深厚的砂性土层,渗水漏砂是砂性土分布地区隧道沉降变形过大的一个重要因素。
  砂性土结构性较强,隧道盾构施工扰动后沉降变形较明显,而且地铁穿行于②3层浅部砂层中,易产生漏水、漏砂等现象而产生过大沉降情况。因此,轨道交通隧道穿越巨厚的砂性土(②3、⑤2层)分布地区时,往往后期沉降变形较明显。
  C线路沉降总体趋势较平缓,沉降较大区域为监测点2200附近及7000~7200区间地铁隧道。监测点2201穿越②3层浅部砂层,且隧道处于古河道切割区,下伏地层变化较剧烈。②3浅部砂层发育,受扰动后地铁隧道易产生渗水漏砂现象,可能导致监测点2200附近地铁隧道发展成为C线路全线沉降量最大、差异沉降最明显的区段。
  2.2局部地下水位突变
  上海市第一承压含水层(⑦层)为晚更新世晚期河口—滨海相沉积物,由于含水层富水性和水质较差,未被开采利用,未开采状态下区域第一承压含水层地下水头为1~-1m。受大规模的地下空间开发主要是深基坑降排水影响,中心城区地下水位普遍低于-3m,局部地区地下水位低于-4m,与区域第一承压含水层1~-1m的地下水位相比降低了3m以上。
  通过某在建基坑的周围分层标监测数据可知,在降水开始后,当降水目的层⑦层孔隙水压力消散,降水目的层与上覆⑥层和⑤层粉质黏土及下伏⑧层粉质黏土之间存在一定的垂向水力梯度,引发弱透水层释水。由于上覆⑤层为第二软土层,土体压缩性高,由此引发的沉降量甚至超过降水目的层,且软弱黏土层中孔隙水压力的消散时间较长,因此在降水结束后一定时间内地面沉降仍表现为持续发展,是基坑降水过程中的主要变形土层。伴随基坑降水量的增大,降水目的层变形量逐渐增大,当降水量减小时,降水目的层变形量有所恢复,但存在一定的残余变形,下伏隔水层在基坑最大降水期间有一定变形量,在降水结束后与含水层一样有所恢复,但同样存在一定的残余变形。因此,深基坑降排水活动促使浅部地下水位下降,引起降水目的层以及相邻软黏性土层发生较大的压缩变形。
  D线路监测点2900附近地铁隧道位于正常沉积区,设立在该处的地铁车站位于④层淤泥质黏性土中,并且下卧层中④层和⑤层软弱黏土层较厚。附近某商城基坑工程外墙距地铁车站外墙6.5m,基坑东西长约220m,南北宽约125m,周长约660m,面积约25000m2,围护结构采用厚度1m的地连墙,墙有效长度38m,近D线路处地墙加深至44m,进入下伏⑧层,降水目的层为⑦层,该基坑工程于2008年9月28日开挖,2009年4月22日降压井正式运行,2009年12月27日主楼基坑底板施工完成。D线路典型监测点沉降历时曲线显示,2009年6月至2009年12月轨道沉降速率突然增大,典型监测点沉降达到-60~-80mm,与该时期基坑降水密切相关,基坑施工结束后,沉降速率急剧降低。通过对D线路基坑施工期间累计沉降监测结果分析,基坑施工影响范围达到30倍基坑开挖深度,最大累计沉降量近100mm。因此受深基坑降排水的影响,地下水位的变化成为影响地铁隧道沉降的一个重要因素。
  2.3区域地面沉降
  (1)区域地面沉降对地铁隧道沉降影响显著
  上世纪90年代至本世纪初,随着工业化、城镇化的不断发展,地面沉降较严重,中心城区年均沉降量约15mm。将地铁累计沉降曲线与沿线中心城区地表水准点沉降进行对比,地铁隧道总体沉降特征与上海中心城地面沉降明显相一致,地表沉降量大的地方,地铁隧道沉降量也较大。因此地面沉降严重时期,区域地面沉降直接影响地铁隧道沿线沉降的趋势。
  (2)近年来随着区域地面沉降趋缓,地铁隧道沉降趋于缓和
  近年来随着对地面沉降控制力度的不断加大,区域地面沉降速率已控制在7mm/a以内,且部分地区出现地面回弹。受其影响,地铁隧道沉降速率也明显趋缓。从2009、2010年区域地面沉降和轨道交通沉降对比分析可以看出,地铁隧道沉降总体较小,部分区段出现了回弹现象,地铁隧道沉降略小于同期区域地面沉降量,其总体趋势与区域地面沉降趋势较吻合。
  3结论
  建设运营最早的A线路沉降量最大,B线路次之,C线路、D线路沉降量相对较小。在隧道下卧土层结构差异明显区段、隧道穿越古河道地区且隧道下卧软黏土层较厚区段、隧道穿越砂性土层较厚的区段地铁隧道容易发生不均匀沉降。邻近地铁施工的基坑工程降排水引发的局部地下水位突变导致含水层发生较大的压缩变形也是影响地铁隧道沉降的主要因素;区域地面沉降对地铁隧道沉降影响显著,地面沉降严重时期,隧道沉降基本与区域地面沉降趋势一致,随着区域地面沉降逐年趋缓,地铁隧道沉降逐步趋于缓和。
 

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