城市超淺埋隧道施工地表沉降規律研究

趙峰等

摘 要：隧道施工擾動土層，必然造成相應的地層變形，在不同條件下變形特點表現出較大差異。本文以廈門市明發商業廣場嘉禾路地下行車通道施工為依托，采用現場實測的方法對地表沉降的規律進行了研究，得出了城市超淺埋隧道施工過程中地表變形的基本規律，在此基礎上提出了控制地表沉陷的施工措施。對類似工程的施工具有重要的指導意義。

關鍵詞：城市超淺埋隧道；地表沉降；監控量測；淺埋暗挖

中圖分類號：TU457 文獻標識碼：A

Abstract： Tunnel construction disturbance of soil， will inevitably lead to the corresponding strata deformation， deformation characteristics under different conditions showed a greater difference. In this paper， Xiamen Mingfa Commercial Plaza lanes Jiahe underground construction as the basis， using field measurement method of surface subsidence patterns studied， come to the city over the course of shallow tunnel surface deformation of the basic law， in this construction measures proposed on the basis of the control surface subsidence. An important guiding significance for the construction of similar projects.

Keywords： City Super Shallow Tunnel； surface subsidence； Monitoring and Measurement； Shallow

1.前言

地下工程開挖不可避免地對巖土體產生擾動，勢必引起地表沉降和變形，地表沉降達到一定程度時將影響地面建筑物的安全和地下管線的正常使用。因此在地面交通復雜、建筑及管網密集的城市中進行隧道施工，地表變形規律及控制一直是人們關心的課題[1]。為有效地預防和減少隧道施工所引起的地表沉降和變形及其對周圍環境所造成的損害，有必要對地表變形規律進行分析研究并由此作出正確預計[2]。

2.淺埋隧道上覆地層變形的基本規律

影響地表移動和變形的因素很多，地表移動和變形的大小不僅與隧道的埋深、斷面尺寸和施工方法、支護方式有關，而且受地層條件的影響。Peck（1969）通過對大量地表沉陷數據及工程資料分析后，首先提出地表沉降槽似正態分布的概念，認為地層移動由地層損失引起，在不排水情況下，隧道開挖后所形成的地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積。提出地表沉降橫向分布的經驗估算公式為[3-6]：

3.工程概述

3.1工程概況

廈門市明發商業廣場嘉禾路地下行車通道是湖光路下穿嘉禾路連接明發商業廣場的地下行車通道工程。通道全長128m，其中引道（U型槽）全長58m，下穿嘉禾路段（淺埋暗挖段）長59m，明挖暗埋段長11m，通道凈寬6.6m，凈高3.0m。通道在下穿嘉禾路時采用淺埋暗挖法施工，開挖斷面7.80m×5.10m，為平頂直墻式通道，隧道埋深極淺，覆蓋層最薄處僅1.79m。

3.2地質條件

擬建場地原始地貌單元為筼筜港近岸沖洪積階地地貌，經鉆探揭露，巖土層自上而下依次分別為雜填土（ ）、粉質粘土（ ）、粗砂（ ）、殘積礫質粘性土（ ）、全風化花崗巖（ ）及強風化花崗巖（ ），隧道穿越地層主要為雜填土和粉質粘土。

應用工程現場的鉆孔原狀土，對其物力力學參數進行了測定，測定結果如表1所示。

該隧道斷面形式為平頂矩形結構，跨度大、超淺埋，受地面動靜荷載影響大，且地中管網密集，開挖中要嚴格控制地表沉降。從控制地層變形的角度出發，設計采用控制地表沉降效果較好的CD工法，但由于該工法工序繁多，結構受力復雜多變，施工中，結構內力亦經多次應力轉變，技術難度較大?？紤]到工期及工序問題，根據有限元分析結果，提出采用全斷面開挖的施工方法，開挖時保留核心土，必要時加設臨時支撐。

4.隧道施工引起的地表變形規律

4.1變形監測系統設計

隧道開挖引起的地層變形從隧道結構拱頂向上傳遞至地表，為進一步分析地層變形規律以及地表沉降與拱頂下沉的關系，分別在隧道結構拱頂以及隧道上方地表設置了沉降觀測點。拱頂沉降點布置在結構頂板中線及左右各兩米位置，每斷面布置3個拱頂沉降測點；隧道結構上方橫向地表沉降監測點按開挖影響范圍布置，監測點布置如圖2所示。根據現場實際情況，本工程縱向監測斷面在暗挖段共布置6個監測斷面。

4.2變形規律分析

1）地表沉降橫向分布規律

隧道施工引起的各監測斷面地表沉降橫向分布規律基本相同，近似成一正太分布曲線。對比圖3中a、b兩個監測斷面地表橫向沉降槽曲線可以看出，地表最大下沉位置在隧道軸心附近，向兩側逐漸減小，由于本隧道為平頂結構，沉降槽頂點不一定正好位于軸心處。地表沉降槽的寬度為16m（約等于4i），在沉降槽的邊緣，地表沉降值已趨于零。根據式（2），沉降槽寬度與地面至隧道中心的深度即隧道埋設有關，隧道埋深越大，開挖在地表的影響范圍越大，開挖引起的地表沉降槽的寬度也越大，本隧道埋設最薄處僅1.79m，開挖影響范圍約為通道開挖寬度的2倍。

掌子面在監測斷面前方2～3米約0.3～0.4倍B（通道寬度）時，就開始下沉，當掌子面通過監測斷面時，下沉速率急劇加大，最大達到17mm/d，當掌子面超過監測斷面約2B時，即6～10天后下沉曲線趨于平緩。在開挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會持續一段時間，該時段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

5.結論

超淺埋平頂隧道上覆地層的沉降關系與Peck（1969）等的研究類似，地表沉降槽特性及變形規律符合地層特性、隧道結構特點及淺埋暗挖法施工的實質。

1）淺埋平頂隧道結構，沉降槽頂點不一定正好位于軸心處，但均在軸心附近。地表沉降槽寬度約等于4i，開挖影響范圍約為隧道開挖寬度的2倍。

2） 掌子面開挖影響前方地表的范圍約為0.3～0.4倍通道寬度，當掌子面通過時，下沉急劇加大，當掌子面通過約2倍通道寬度后，地表下沉逐漸減小。因此，淺埋隧道開挖后應立即支護，以預防地表沉陷。

3）隧道在開挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會持續一段時間，該時段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

4）本隧道埋深淺，上覆土層為素填土及粉質粘土，開挖引起地層損失較大，拱頂下沉及地表沉降均較大。因此，開挖前進行預加固極為重要，設置的密排長管棚是本隧道能成功開挖的關鍵。

參考文獻

[1] 陽軍生、劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動及變形[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[2] 張頂立、黃俊.深圳地鐵淺埋暗挖隧道地層變形分析[J].中國礦業大學學報，2004.33（5）：578-583.

[3] R.B.Peck（1969.Deep excavations and tunneling in soft groundm state of the art report 7th Int.Cont.On Soil Mench.and Fdn Eng， Mexico City：225-290

[4] 魏建文.淺埋暗挖隧道地表沉降分析及現場監測研究[D].北京：北京工業大學，2008.

[5] 王新征.既有鐵路下淺埋暗挖隧道地表沉降的控制與監測[J].鐵道建筑，2008.11：32-34.

[6] 吳波、劉維寧.城市淺埋隧道施工性態的時空效應分析[J].巖土工程學報，2004.26（3）：340-343.

掌子面在監測斷面前方2～3米約0.3～0.4倍B（通道寬度）時，就開始下沉，當掌子面通過監測斷面時，下沉速率急劇加大，最大達到17mm/d，當掌子面超過監測斷面約2B時，即6～10天后下沉曲線趨于平緩。在開挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會持續一段時間，該時段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

5.結論

超淺埋平頂隧道上覆地層的沉降關系與Peck（1969）等的研究類似，地表沉降槽特性及變形規律符合地層特性、隧道結構特點及淺埋暗挖法施工的實質。

1）淺埋平頂隧道結構，沉降槽頂點不一定正好位于軸心處，但均在軸心附近。地表沉降槽寬度約等于4i，開挖影響范圍約為隧道開挖寬度的2倍。

2） 掌子面開挖影響前方地表的范圍約為0.3～0.4倍通道寬度，當掌子面通過時，下沉急劇加大，當掌子面通過約2倍通道寬度后，地表下沉逐漸減小。因此，淺埋隧道開挖后應立即支護，以預防地表沉陷。

3）隧道在開挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會持續一段時間，該時段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

4）本隧道埋深淺，上覆土層為素填土及粉質粘土，開挖引起地層損失較大，拱頂下沉及地表沉降均較大。因此，開挖前進行預加固極為重要，設置的密排長管棚是本隧道能成功開挖的關鍵。

參考文獻

[1] 陽軍生、劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動及變形[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[2] 張頂立、黃俊.深圳地鐵淺埋暗挖隧道地層變形分析[J].中國礦業大學學報，2004.33（5）：578-583.

[3] R.B.Peck（1969.Deep excavations and tunneling in soft groundm state of the art report 7th Int.Cont.On Soil Mench.and Fdn Eng， Mexico City：225-290

[4] 魏建文.淺埋暗挖隧道地表沉降分析及現場監測研究[D].北京：北京工業大學，2008.

[5] 王新征.既有鐵路下淺埋暗挖隧道地表沉降的控制與監測[J].鐵道建筑，2008.11：32-34.

[6] 吳波、劉維寧.城市淺埋隧道施工性態的時空效應分析[J].巖土工程學報，2004.26（3）：340-343.

掌子面在監測斷面前方2～3米約0.3～0.4倍B（通道寬度）時，就開始下沉，當掌子面通過監測斷面時，下沉速率急劇加大，最大達到17mm/d，當掌子面超過監測斷面約2B時，即6～10天后下沉曲線趨于平緩。在開挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會持續一段時間，該時段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

5.結論

超淺埋平頂隧道上覆地層的沉降關系與Peck（1969）等的研究類似，地表沉降槽特性及變形規律符合地層特性、隧道結構特點及淺埋暗挖法施工的實質。

1）淺埋平頂隧道結構，沉降槽頂點不一定正好位于軸心處，但均在軸心附近。地表沉降槽寬度約等于4i，開挖影響范圍約為隧道開挖寬度的2倍。

2） 掌子面開挖影響前方地表的范圍約為0.3～0.4倍通道寬度，當掌子面通過時，下沉急劇加大，當掌子面通過約2倍通道寬度后，地表下沉逐漸減小。因此，淺埋隧道開挖后應立即支護，以預防地表沉陷。

3）隧道在開挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會持續一段時間，該時段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

4）本隧道埋深淺，上覆土層為素填土及粉質粘土，開挖引起地層損失較大，拱頂下沉及地表沉降均較大。因此，開挖前進行預加固極為重要，設置的密排長管棚是本隧道能成功開挖的關鍵。

參考文獻

[1] 陽軍生、劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動及變形[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[2] 張頂立、黃俊.深圳地鐵淺埋暗挖隧道地層變形分析[J].中國礦業大學學報，2004.33（5）：578-583.

[3] R.B.Peck（1969.Deep excavations and tunneling in soft groundm state of the art report 7th Int.Cont.On Soil Mench.and Fdn Eng， Mexico City：225-290

[4] 魏建文.淺埋暗挖隧道地表沉降分析及現場監測研究[D].北京：北京工業大學，2008.

[5] 王新征.既有鐵路下淺埋暗挖隧道地表沉降的控制與監測[J].鐵道建筑，2008.11：32-34.

[6] 吳波、劉維寧.城市淺埋隧道施工性態的時空效應分析[J].巖土工程學報，2004.26（3）：340-343.