淺埋暗挖地鐵隧道施工地表沉降規律分析

李金奎，王飛飛，白會人

(大連大學建筑工程學院，遼寧 大連 116622)

0 引 言

隨著社會經濟的迅速發展和城市化步伐的加快，我國的地鐵建設進入高速發展時期.在地鐵隧道施工過程中不可避免地擾動隧道周圍的地層，產生地表沉降，嚴重時將影響到周邊建筑物和地下管線的安全[1-3].國內外學者展開了許多地鐵隧道施工引起地表沉降變形方面的研究[4-5]，對指導工程建設具有重要的理論與實際意義.由于大連地鐵202標段促春區間是在人工素填土層中的地鐵隧道施工，地層含水量大，地層軟弱，底下管線密布，因此，對人工素填土地層中隧道施工引起的地表沉降規律進行總結研究，有著非常重要的理論和現實意義.

1 工程背景

大連地鐵202標段促進路站至春光街站區間設計范圍為里程DK11+365.945～DK12+013.350，區間地貌為剝蝕低丘陵、沖洪積溝谷，地形起伏較大，整體上看中央高，兩側低，地面高程7.69～22.78 m.沿線穿越街道、工廠、居民住宅區，建筑物密集，管線、管道眾多.本文以暗挖區間為主要研究對象，右線先于左線開挖.左、右線隧道長分別為732.127 m和734.273 m.隧道主體橫斷面為單拱圓形斷面，斷面尺寸為6.3×6.5 m.隧道范圍內上覆第四系人工堆積層(人工堆積素填土、雜填土層)，第四系全新統沖洪積層(卵石層)，第四系上更新統坡洪積層(粉質粘土)，下伏震旦系五行山群長嶺子組強(全風化巖、強風化巖、中風化巖).隧道斷面范圍上方自上而下分別為：素填土(0.50～11.00 m)和雜填土層(1.40～8.50 m), 卵石層(0.70～13.30 m)，粉質粘土(1.10～11.00 m)，全風化巖(2.20～29.60 m).采用新奧法臺階法施工，上、中、下三個臺階依次進行施工，每次進尺1 m.暗挖結構超前支護采用超前小導管注漿對地層進行預注漿加固.施工后，及時進行隧道初期支護，支護方式采用立鋼拱架和掛鋼筋網噴混凝土方法，初期支護貫通后即采用二次襯砌.

2 地表沉降監測方案

在隧道地表上方每隔30 m布置一個觀測斷面，每個斷面布置12個點，沿著隧道軸線垂直方向地表均勻布置，間距為1.5 m，采用萊卡DNA03電子水準儀按照二級水準要求進行地表沉降觀測，自從2011年11月1日到2012月1月31日，共計90天的觀測，為了便于分析，選取DB03、DB04、DB05個斷面數據進行分析.

3 監測結果分析

3.1 右線隧道開挖沿著隧道方向地表沉降分析

為了便于分析總結規律，以監測斷面為基準，當掌子面通過監測斷面后，掌子面與監測斷面的距離為正值；當掌子面未通過監測斷面時，掌子面與監測斷面的距離為負值.設掌子面與監測斷面間的距離為L，隧道拱徑為D，即為拱跨，定義L/D比值為距跨比β，即

β=L/D

(1)

斷面間距為30 m，隧道拱跨距離為6.3 m，得出距跨比β的取值范圍為-4.8<β<4.8.

2011年11月1日建立測站DB03、DB04、DB05，隨著隧道開挖掌子面逐漸逼近、達到、通過監測斷面，地表沉降逐漸發展直至穩定；此后左線開挖，歷時90天于2012年1月31日通過DB05監測站監測的地表最終穩定.其曲線如圖1所示，當-4<β<-2時，各觀測斷面各監測點出現明顯沉降，DB03最大沉降點位于右線隧道中心線正上方測點DB0304，量為4.67 mm，約占總沉降量的16.6%，DB04最大沉降點位于右線隧道中心線正上方測點DB0404，量為3.43 mm，約占總沉降量的10.8%，DB05最大沉降點位于右線隧道中心線正上方測點DB0504，量為4.04 mm，約占總沉降量的15.7%；當-2<β<2時，各觀測斷面各監測點出現急劇沉降，DB03最大沉降點位于右線隧道中心線正上方測點DB0304，量為19.36 mm，沉降速率可達0.89 mm/d，占總沉降量的67.5%；DB04最大沉降點位于右線隧道中心線正上方測點DB0404，量為24.24 mm，沉降速率可達0.84 mm/d，占總沉降量的76.2%；DB05最大沉降點位于右線隧道中心線正上方測點DB0504，量為19.92 mm，沉降速率可達0.93 mm/d，占總沉降量的77.6%；當2<β<4時，各觀測斷面各監測點沉降變化速率開始減緩趨于穩定.

圖1 右線隧道斷面地表沉降隨掌子面推進變化Fig.1 Changes of the ground surface settlement above right tunnel vault with the excavation face注： DB03 DB04 DB05

3.2 右線隧道開挖垂直于隧道方向地表沉降分析

大連地鐵202標段促春暗挖區間在掌子面前方50 m布置監測斷面，右線區間先開挖，左線滯后，根據右線隧道監測結果確定左線隧道開挖的時間.在右線區間單獨開挖期間選擇DB03、DB04和DB05等3個監測斷面進行地表沉降分析，沉降曲線分布如圖2所示，3個監測斷面的最大沉降點在隧道中心線上方.由圖2可知，DB03、DB04和DB05等右側有建筑物群，故不能完全布置地表沉降點，該3個監測斷面的地表沉降隧道中線基本呈半正態分布，變化趨勢基本相同.

圖2 右線隧道各斷面地表沉降分布曲線Fig.2 Distribution curves of ground settlement at the different monitoring Sections of the right tunnel注： DB03 DB04 DB05

3.3 雙線隧道開挖引起地表沉降的變形分析

當右線隧道開挖引起地表沉降趨于穩定時，各斷面最大沉降曲線見圖3所示，DB03斷面右線隧道中心線正上方最大沉降量為28.87 mm，DB04斷面右線隧道中心線正上方最大沉降量為31.82 mm，DB05斷面右線隧道中心線正上方最大沉降量為25.66 mm.左線隧道開始開挖后對已經穩定的隧道圍巖產生新的擾動，但其影響程度與距離有關，距離越近，影響約為劇烈.當左線隧道掌子面通過各斷面時最終沉降曲線如圖3所示.DB03斷面雙線隧道中心線正上方最大沉降量為57.34 mm，約為右線隧道開挖最大沉降量的1.99倍；隧道DB04斷面隧道中心線正上方最大沉降量為64.86 mm，約為右線隧道開挖最大沉降量的2.04倍；DB05斷面隧道中心線正上方最大沉降量為51.76 mm，約為右線隧道開挖最大沉降量的2.02倍.由此可見，雙線隧道開挖較單線隧道開挖引起的地表沉降不僅位置發生了改變，而且最大沉降量也發生較大的改變，約為單線隧道開挖的1.99～2.04倍.

圖3 單線及雙線開挖各斷面測點沉降曲線Fig.3 Curves of settlement at different section points of Single line and double line tunnel excavation注： 右線隧道開挖； 總沉降值

4 地表沉降驗證

運用文克爾模型對右線區間隧道開挖地表沉降進行計算驗證.文克爾模型假設地基表面任意一點的壓力p與該點的位移ω成正比，如式(2)所示.

(2)

得出文克爾計算模型預測方程：

(3)

由式(3)計算的文克爾模型沉降數據如表1所列.由圖4對比可知，實測數據曲線和文克爾計算模型曲線和沉降趨勢吻合，文克爾計算數值較實際觀測值偏小，僅應用文克爾地表沉降預測模型能夠得出地表沉降的趨勢，不能準確得出最大沉降量.這是由于在實際工程中隧道上方的土層為人工素填土且有少量的建筑垃圾，理論假設有了一定的差距；同時在理論計算時沒有考慮到流-固耦合條件下土-結構的變形是否符合線彈性性質.由圖4對比可知，實測數據曲線和文克爾計算模型曲線和沉降趨勢吻合，文克爾計算數值較實際觀測值偏小，僅應用文克爾地表沉降預測模型能夠得出地表沉降的趨勢，不能準確得出最大沉降量.這是由于在實際工程中隧道上方的土層為人工素填土且有少量的建筑垃圾，理論假設有了一定的差距；同時在理論計算時沒有考慮到流-固耦合條件下土-結構的變形不符合線彈性性質.

表1 文克爾模型沉降數據與04斷面實測數據Table 1 Winkler model settlement data and 04 section measured data

圖4 促春區間隧道地表沉降現場實測與文克爾模型計算曲線對比Fig.4 The field measured and winkler model calculation curve contrast注： 文克爾模型預測值/mm 04斷面實際沉降值/mm

5 結 語

a. 大連地鐵202標段促春暗挖區間地表沉降數據分析過程中引進距跨比β，便于沿著隧道掘進方向地表沉降分析.地表沉降最大位置處于隧道中心線的正上方，沉降量約為25.66～31.82 mm.

隨著掌子面推進，沿隧道縱向地表沉降分為3個階段-4<β<-2地表沉降加速階段，約占整體變形的10.8%～16.6%；-2<β<2地表沉降劇烈階段，約占整體變形的67.5%～77.6%，沉降速率約達0.84～0.93 mm/d；2<β<4，地表沉降減速階段，沉降變化趨于穩定.監測結果表明，人工素填土地段地鐵暗挖隧道施工在-2<β<2階段，應加強監測頻率，建議增加現場巡視.

b. 右線隧道開挖垂直于隧道中線地表沉降曲線基本呈半正態分布，最大沉降點發生在右線隧道中心線正上方.文克爾沉降模型的計算曲線與現場實際監測曲線趨勢相同，數值偏小，主要是由于文克爾預測模型假設所致，但也可作為人工素填土地段地鐵暗挖隧道施工地表沉降的預測手段.

c. 左線隧道開挖造成了已經穩定的右線隧道圍巖的二次擾動.左線隧道的開挖不僅改變了地表最大沉降位置，由右線隧道中心線正上方改變到雙線隧道中線正上方，而且最大沉降量也發生了改變，雙線隧道開挖最大沉降量約為單線隧道開挖的1.99～2.04倍.

參考文獻：

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