地鐵隧道施工中地表沉降數據監測與規律分析

李 想

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷深入，國內一、二線城市掀起了城市地鐵建設的浪潮[1].城市地鐵建設線路復雜且建筑物眾多，須采取嚴格防止沉降的措施.施工過程中不可避免的會對周圍巖土體產生擾動，引起的地表沉降可能影響地面建筑物和既有管線設施，到一定程度時沉降過大會影響建筑物的正常使用[2]，地鐵沿線人流眾多，交通擁擠且建筑密集，過度沉降會給施工人員，過往行人及周邊建筑物安全造成巨大威脅.

截止到2017年，我國不少城市均出現過因為修建地下軌道而導致的地表沉降的事件，例如：2011年上海市地鐵12號線在建施工過程中發生突然坍塌，導致5人死亡，20人受傷；2014年北京東四環地鐵7號線，在建施工過程中發生嚴重坍塌，產生了嚴重的經濟損失并造成了極大的擁堵交通[3]；2015年深圳市地鐵7號線，在建施工過程中發生坍塌，導致5人被困，1人死亡的嚴重后果.因過度沉降導致的類似坍塌事件不勝枚舉.

本文以烏魯木齊地鐵一號線為背景，對施工過程中的地表沉降數據進行監測，并對實測數據進行處理分析，得到橫向沉降分布曲線及縱向沉降分布曲線，結合數值模擬結果分析沉降規律，為地鐵隧道施工控制提供指導.

1 地面沉降監測方案

1.1 基準點布置及埋設

設置地表沉降監測基準點，監測方式采用道路和地表監測點同時整合到一個閉合環的空間及形成由附和線路構成的結點網的方式.

埋設的方式主要分為人工開挖及鉆具成孔兩種方式，具體埋設方式不做強制性要求.埋設的主要步驟為：首先，對于軟土地質應用人工操作洛陽鏟的方式進行開挖埋設，對于石質或土質較為堅硬的地面采用操作鉆機等機械進行埋設，兩種方式洞口孔徑大小均采用70mm，深度為地表下1米；第二步，將該洞的底部進行夯實；第三步，對洞內渣土清除處理并導入清水養護，澆筑混凝土，混凝土與地表保持4cm距離；第四步，洞中心插入鋼筋并使鋼筋超出混凝土20cm；第五步，設置保護蓋養護15天，埋設保持平整穩固.

1.2 地面沉降監測點的布設

第一，橫向的檢測點的設計：受制于地面環境的影響，各斷面設計7個點每監測點相隔5米.

第二，縱向的檢測點的設計：監測點的布置左起CK7+031.6至CK7+216.7，每間隔8m距離設置一個監測點，線路穿越上海至寧夏的高速公路，從左CK5+641.4起至CK7+031.6設置間距25m.

第三，橫向監測點的編號設計：同一個橫向面自左向右編號0.1.2.3.4.5.6，例如DA28斷面7個檢測點的編號就是DA28-0，DA28-1，DA28-2 等.

圖1 地面沉降監測點布置示意圖

自2014年開始施工即進行檢測，共選取三個監測區間進行監測，對三個區間內的每個橫斷面中的七個點每天監測一次.根據隧道所深挖的土體的地質結構，土層的特點，將盾構施工段所形成的斷面分為三個監測區域，測量數據龐大復雜，本文選取有代表性的十六個斷面進行分析.其中在第一監測區間CK6+245到CK5+641中選取6個斷面，由于土層性質單一，比較松軟，該區域有穿越河道，土堆的現象，隧道向下深挖16米；第二監測區間CK7+050到CK6+245中選取3個面，區域土壤質量較單一，農田密布，向下深挖，隧道下挖20米；第三監測區間CK7+252到CK7+050中選取7個面，該區域穿越西氣東輸的線路，滬寧高速公路等導致各個區域的土體的強度不同，典型特征是地表硬度較高，地表以下土層較軟，隧道下挖15m.

2 沉降實測數據與FLAC 3D模型對比分析

2.1 各監測斷面實測沉降數據

根據現場實際測試出的地面沉降檢測數據，統計為如下的表格中，從而直觀的看到檢測面的地面沉降的數值.如表1.

表1 烏魯木齊一號線盾構區間橫向監測點沉降量統計表

通過實測沉降數據可知，地面沉降的影響大致使沿著線路的中心對稱分布，且各監測區間最大沉降量均發生在3號監測點，由此說明該區域是沉降面積最多，隧道軸線中心是最容易發生沉降的地方.

以下以各監測區間的各斷面最大沉降量與隧道縱向中線埋深作為對照：

（1）監測一區間：

以選取的六個斷面為研究對象，可以從上表中明顯發現該區段沉降量較大，沉降量最大值為監測點DB 190-3的48.22mm，平均值為25.53mm，最小值為監測點DB70-3的14mm.其中3號監測點位置沉降最大.各監測點沉降值與監測點縱向埋深情況如下表2.

表2 監測一區間監測點沉降與縱向埋深情況表

（2）監測二區間：

以實測二區間的三個橫斷面為對象，區間內最大沉降值是監測點DB590-3的13.53mm，最小值為監測點DB374-3的9.90mm平均值相對于一區間較小為12.22mm.最大沉降值出現在各監測斷面的中間位置.各監測點沉降值與監測點縱向埋深情況如下表3.

表3 監測二區間監測點沉降與縱向埋深情況表

（3）監測三區間：

表4 監測二區間監測點沉降與縱向埋深情況表

以實測三區間的七個橫斷面為對象，區段內沉降最大值是監測點DB 1290-3的32.12mm，實測沉降最小值是監測點DB 1243-3的8.72mm，相對于一區間沉降較小但與二區間較為接近平均值為14.81mm.最大沉降值出現在各監測斷面的中間位置.各監測點沉降值與監測點縱向埋深情況如表4.

由以上第一，二，三監測區間斷面最大沉降量與隧道縱向埋深對照表可知，各監測區間最大沉降量發生在各斷面的中間位置.

2.2 橫向沉降曲線及沉降隨時間變化曲線

自上述三個監測區間內隨機選取DB190，DB590和DB1195三個橫斷面，擬合出各橫斷面內橫向沉降曲線，曲線如圖 2、3、4 所示.

圖2 橫斷面DB190橫向沉降曲線

圖3 橫斷面DB590橫向沉降曲線

圖4 橫斷面DB 1290橫向沉降曲線

由上述橫斷面內橫向沉降曲線情況可知，曲線類似于正態分布.

隨機選取DB 190-3和DB 1290-3兩個監測點分析其沉降量隨時間變化的曲線，分別如圖5、6所示.

圖5 監測點DB 190-3縱向沉降分布曲線

圖6 監測點DB 1290-3縱向沉降分布曲線

由以上隨機選取的兩監測點圖2-8、2-9的縱向沉降分布曲線可知，各監測點沉降量隨時間變化的曲線接近于反“S”形狀且沉降量的變化在時間趨勢上可以分為5個時間階段.

3 FLAC 3D數學模型模擬對比分析

以FLAC 3D為工具模擬地面沉降情況，設置計算模型以Y=25處為監測斷面，以隧道軸線左右每間隔lm布設一個監測點，得出地表的橫向沉降曲線，如圖7所示.

從圖7地表橫向沉降曲線可知：計算模型顯示在該橫斷面上中心線的沉降量最大，并向兩邊逐漸減小，擬合成一條似漏斗的沉降槽曲線[4]；橫向沉降曲線接近于正態分布.

圖7 Y=25橫向沉降曲線值模擬沉降曲線

數值模擬以中心線Y=25處為觀察點，繪制施工過程隨時間變化過程中該點的縱向地面沉降變化曲線[5]，即研究該點隨施工里程數增長的沉降規律.如圖8所示.

圖8 隧道中心線Y=25監測點沉降隨掘進進尺變化規律

從上圖我們可以分析發現：

第一，沉降量是隨著掘進進尺的變化而變化，并且形成了一條反S型的曲線.

第二，沉降量的變化在時間趨勢上可以分為5個時間節點：1.掘進開始到10米左右的前期沉降階段；2.掘進10m-25m的開挖前沉降階段；3.掘進到25-35m的盾尾沉降階段；4，掘進到35-42m的盾尾空隙沉降階段；5.末期的固結沉降階段，且此時沉降量已經穩定.

4 結論

本文通過對烏魯木齊地鐵一號線施工中的沉降實地觀測，對數據進行擬合，并與FLAC 3D數學模型模擬結果進行對比分析，得出如下結論：

(1)由實測數據各監斷面的橫向沉降分布曲線及FLAC 3D橫向沉降曲線值模擬沉降曲線可知，橫斷面上地表最大沉降值出現在隧道中軸線正上方，并以中心軸向隧道兩邊逐漸減小，形成漏斗形沉降槽曲線，同一橫斷面內沉降曲線近似于正態分布曲線.

(2)由監測點沉降隨掘進進尺變化規律圖及FLAC 3D數學模型監測點沉降隨掘進進尺變化規律可知，沉降量是隨著時間的變化而變化，形成一條反S型的曲線.

參考文獻：

〔1〕李杰.基于FLAC3D地鐵盾構施工引起地表沉降的分析研究[D].河北工程大學，2013.

〔2〕劉東.成都地鐵隧道施工引起的地表沉降研究[J].西南交通大學學報，2009.

〔3〕焦玉進.青島地鐵大跨度暗挖隧道地表沉降變形研究[D].青島理工大學,2015.

〔4〕夏志強,周傳波,平雯,等.地鐵隧道盾構法施工地表沉降特征及預測研究[J].城市軌道交通研究,2014,17(10)：98-102.

〔5〕唐人.盾尾注漿的無水卵石地層地表沉降特征研究[J].山東交通科技,2016(6)：23-27.