礦山法施工地鐵隧道地表沉降分步控制研究

李世良 馬曉東

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050)

1 概述

礦山法[1，2]因借鑒礦山開拓巷道的方法而得名。按襯砌施工順序，可分為先拱后墻法及先墻后拱法兩大類。其開挖過程分為：爆破、清渣、支護，并依此步序循環(huán)施作，監(jiān)測應貫穿于隧道開挖的整個過程[3-5]。

隧道施工必然會對周圍土體產生擾動，導致地表沉降。地表沉降量作為反映隧道施工安全的一項重要指標，在通常情況下，其控制值為30 mm，是一個貫穿整個施工過程的總量值，一般不做分段考慮。在采用礦山法施工的隧道工程中，誘發(fā)地表沉降的因素主要有[2-6]：施工擾動、回填土自密實過程、取土后支護不及時導致隧道頂部受力不平衡、爆破震動、地表動載影響等。以上各因素在隧道開挖的不同階段所引發(fā)的地表沉降量也不盡相同[4-7]。

前期盲目施工、支護不及時或者其他因素，易造成地表沉降量累計值過大。由此所產生的危害主要分為兩個部分[8，9]：①盡管地表沉降偏大，但沒有超控制值(此時不能進行預警)，這種情況下，無法對施工方進行約束，增大了開挖風險。②前期地表沉降過大，在隨后的開挖施工過程中，造成地表沉降總控制值超限，引發(fā)監(jiān)測紅色預警，導致停工等嚴重后果。

為了避免這一現象發(fā)生，通過對某地鐵隧道地表沉降監(jiān)測數據的分析，獲取礦山法暗挖隧道施工過程中各階段的地表沉降量及其規(guī)律。研究表明，分步控制地表沉降量的方式有效、可行。

2 監(jiān)測數據分析

為直觀反映暗挖法隧道施工過程中，不同施工階段所引發(fā)的地表沉降量的情況，以某地采用礦山法進行地鐵隧道施工的實際監(jiān)測數據為例進行分析。某地鐵隧道所處區(qū)域土質為軟土及回填土，隧道中線上方區(qū)域為城市郊區(qū)主干道，重載車輛較多。隧道采用上下臺階法開挖[10-12]。地表沉降監(jiān)測在距離開挖工作面前3倍洞徑處開始進行，地表沉降控制值為30 mm。

圖1 DB104-1沉降量趨勢

圖2 DB104-3沉降量趨勢

圖1、圖2所示的曲線為布設于該隧道左右線中線上方地表沉降點DB104-1、DB104-3所對應的累計沉降曲線。由圖1、圖2可知，在開挖階段，兩點的監(jiān)測數據都達到了預警的標準。尤其是進行上下臺階法施作時，存在一次進尺過長、支護不及時等情況，進而造成沉降速率過大，累計沉降超限，地表出現裂縫，引發(fā)紅色預警導致停工。

從以上分析可知，地表沉降累計值有明顯的分段現象存在。其中第一階段(1～41 d)沉降變形較平緩，地表累計沉降量約為6 mm；第二階段(41～49 d)變形較快，地表累計沉降量達到17 mm；第三階段(49～51 d)變形較小，地表累計沉降幾乎為0；第四階段(51～58 d)變形較快，其中監(jiān)測點DB104-1的累計沉降量約為30 mm，監(jiān)測點DB104-3的累計沉降量約為25 mm；第五階段變形逐漸趨于穩(wěn)定。

3 地表沉降分步控制

對圖1、圖2中曲線變化趨勢進行分析，兩沉降監(jiān)測點對應的沉降監(jiān)測數據曲線所呈現出的變化趨勢與隧道施工進度相符合。

(1)第一階段對應開挖工作面前3倍洞徑處的沉降情況，誘發(fā)本階段地表沉降的主要原因是回填土自密實、地表重載車輛碾壓，次要原因是施工擾動。隨著工作面的前移，沉降速率受施工擾動的影響越來越大。整體上看，本階段的變形量貢獻率為17%。

(2)第二階段對應開挖工作面處于監(jiān)測點正下方(上臺階開挖處的沉降情況)，沉降的主要原因是施工擾動、取土后支護不及時，導致隧道頂部受力不平衡；次要原因是回填土自密實及地表重載車輛碾壓，本階段沉降貢獻率為34%。

(3)第三階段對應支護完成后的沉降情況，本階段隧道受力基本達到平衡，沉降速率減緩，沉降幾乎為0。

(4)第四階段對應下臺階施作時的沉降情況，沉降原因與第二階段相同，其變形貢獻率為31%。

(5)第五階段對應初期支護成環(huán)后的沉降情況，本階段隧道整體受力平衡，且工作面逐步向前推進(已遠離監(jiān)測點)，監(jiān)測數據逐漸趨于穩(wěn)定。

綜合以上分析可知，第二、第四階段貢獻了65%的變形值，應主要針對這兩個階段采取控制措施。

首先根據貢獻率確定施工各階段的允許變形值。其次，施工時進行實時監(jiān)測，將累計沉降值與各階段允許變形值進行比較，根據對比結果，指導各階段施工。施工方可根據各階段控制值與實時監(jiān)測數據的對比，調整進尺長度并及時支護，以減少施工擾動。

圖3為經過分階段控制后，某斷面地表沉降監(jiān)測累計值時態(tài)曲線。從圖3可知，地表沉降累計值得到了有效控制，沒有超出30 mm的控制值。

圖3 分階段控制后某斷面累計沉降曲線

4 結論

(1)利用某地礦山法施工地鐵隧道地表沉降監(jiān)測數據，分析各施工階段對應的地表累計沉降量相對總體沉降量的貢獻率，其中上臺階開挖、下臺階開挖階段所占比重分別為34%和31%。因此，在施工過程中，應重點關注這兩個施工階段的地表沉降變化情況。

(2)通過對實測數據的分析，提出了地表沉降分步控制法。該方法可有效指導施工掘進，既能確保安全施工，又可以避免或減少由于監(jiān)測預警帶來的停工，從而避免工程延期，減少工程成本。對其他類似采用礦山法施工的隧道具有借鑒意義。

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