李 輝，劉宏飛，宋戰(zhàn)平

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

西安淺埋暗挖隧道地鐵施工的地表沉降分析

李 輝，劉宏飛，宋戰(zhàn)平

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

以西安地鐵長(zhǎng)延堡站配線暗挖段為依托，對(duì)地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，淺埋暗挖隧道臺(tái)階法施工時(shí)上(下)導(dǎo)對(duì)一定斷面沉降的縱向影響范圍分別為其前后的2D(2D)和1D(3D)(D為隧道跨度)，且下導(dǎo)開挖所引起的總沉降量大于上導(dǎo)所引起的，其比值約為3/1;橫向影響范圍約為10D，橫向沉降槽曲線符合Peck公式，且給出了沉降槽寬度參數(shù)建議值k=0.66。

隧道工程 臺(tái)階法施工 地表沉降 橫向沉降槽

地表沉降一直是城市地鐵隧道開挖過程中較為關(guān)注的問題。隧道開挖引發(fā)周圍土體擾動(dòng)和破壞，會(huì)使地層產(chǎn)生不同程度的地層變形。淺埋隧道由于距離地表較近，地層變形會(huì)波及到地表，其變形量的大小和范圍直接影響到地上密集城市建(構(gòu))筑物、市政工程和道路路面的安全使用。對(duì)這個(gè)問題國(guó)內(nèi)外的大量學(xué)者都進(jìn)行過相關(guān)研究。Rathe Peck早在1969年就提出了經(jīng)典的沉降槽曲線公式[1]，國(guó)內(nèi)關(guān)寶樹等[2]也對(duì)淺埋暗挖隧道開挖過程中縱向沉降的規(guī)律進(jìn)行了研究。近年來隨著電算方法的迅速發(fā)展，人工智能預(yù)測(cè)[3]、數(shù)值模擬[4]等已在這個(gè)領(lǐng)域開始了廣泛的應(yīng)用。隨著地鐵建設(shè)熱潮的到來，如在深圳、北京等地的地鐵建設(shè)過程中，工程人員和學(xué)者們都針對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)對(duì)地表沉降進(jìn)行了廣泛的分析和研究，為后來的施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[5-8]。但由于各地土質(zhì)的具體性和復(fù)雜性，各地的沉降規(guī)律都有所不同，對(duì)后期施工的預(yù)測(cè)也只能適用于相似的土質(zhì)類型。西安作為黃土地區(qū)首次修建地鐵的城市，通過對(duì)隧道開挖過程中所引起的地表沉降規(guī)律的研究來預(yù)測(cè)沉降量和指導(dǎo)施工工藝有非常重要的意義。

1 工程概況

西安市城市快速軌道交通二號(hào)線一期工程尤家莊——長(zhǎng)延堡段TJSG—18標(biāo)段會(huì)展中心站配線暗挖段區(qū)間隧道，位于長(zhǎng)延堡站和后配線明挖段之間，走向?yàn)槟媳弊呦?。其北?cè)為西安市南北交通的主干道之一長(zhǎng)安南路，西側(cè)有陜西電視塔、陜西自然博物館的自然館和科技館構(gòu)成的標(biāo)志建筑物群。

圖1 中洞斷面及臺(tái)階法施工開挖示意(單位:mm)

會(huì)展中心站配線暗挖隧道為雙聯(lián)拱斷面。聯(lián)拱隧道采用中導(dǎo)洞超前貫通，中隔墻澆筑及上部回填后用中隔壁(CRD)法開挖兩側(cè)洞室。中洞全線長(zhǎng)97.1 m，里程為DK20+390.085～DK20+487.185。隧道埋深為11～18 m，開挖寬度5.80 m，高度8.76 m。斷面形式為直墻拱形(見圖1)。中洞采用短臺(tái)階人工小步距開挖，循環(huán)進(jìn)尺1.0 m，風(fēng)鎬配合施工。施工時(shí)遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的基本工藝。施工組織計(jì)劃和施工工序，嚴(yán)格遵守“先排管，后注漿，再開挖，注漿一段，開挖一段，支護(hù)一段，封閉一段”的原則進(jìn)行。

表1 隧道開挖影響土層分布及其物理指標(biāo)

本場(chǎng)地屬西安市黃土梁，受隧道開挖所影響的土層分布及其物理指標(biāo)見表1。

2 地表沉降監(jiān)測(cè)與分析

測(cè)點(diǎn)布置總共分為 A、B、C、D四個(gè)斷面，里程分別為 DK20+410、DK20+430、DK20+450、DK20+470。每個(gè)斷面設(shè)八個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距為5m?，F(xiàn)以里程為DK20+450斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來分析。

2.1 縱向地表沉降分析

隧道開挖采用短臺(tái)階法，上下導(dǎo)掌子面的開挖都會(huì)造成地層損失和擾動(dòng)而引發(fā)地表沉降，見圖2。從上下導(dǎo)掌子面與沉降的關(guān)系圖來看，可分為四個(gè)階段(L1、L2分別為上下導(dǎo)掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的間距，D為隧道的跨度)。

1)當(dāng)L1=-2D時(shí)，測(cè)點(diǎn)開始發(fā)生沉降，說明測(cè)點(diǎn)已進(jìn)入受上導(dǎo)掌子面開挖的影響區(qū)。

2)當(dāng)-2D≤L1≤1D時(shí)，L2＜-2D，此階段的沉降表現(xiàn)為隨上導(dǎo)掌子面不斷向測(cè)點(diǎn)斷面的逼近，沉降量不斷增加，尤其是在通過斷面前0.5D時(shí)，沉降值有一個(gè)陡增。在上導(dǎo)掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面后相對(duì)于上導(dǎo)進(jìn)尺的沉降速率已明顯降低，沉降量趨向于穩(wěn)定。說明上導(dǎo)已逐漸退出對(duì)該斷面沉降的影響。當(dāng)L1=1D時(shí)，沉降量為7.5 mm。

3)當(dāng)L1＞1D時(shí)，-2D≤L2≤3D，此階段相對(duì)于上導(dǎo)掌子面進(jìn)尺的沉降速率較L2＜-2D時(shí)有顯著的增長(zhǎng)，說明下導(dǎo)掌子面的開挖已開始引起測(cè)點(diǎn)的沉降，沉降量又開始顯著增加。

4)當(dāng)L2＞3D時(shí)，沉降值很快趨于穩(wěn)定，說明下導(dǎo)掌子面的開挖對(duì)測(cè)點(diǎn)沉降的影響已經(jīng)消失。此時(shí)的沉降量為30 mm。

圖2 上下導(dǎo)掌子面與沉降的關(guān)系

淺埋暗挖隧道臺(tái)階法施工時(shí)，上導(dǎo)對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響范圍為-2D～1D，下導(dǎo)對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響范圍為 -2D～3D。上導(dǎo)引起的沉降量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于下導(dǎo)所引起的，其比值約為1/3。

2.2 橫向地表沉降分析

2.2.1 橫向沉降影響范圍

隧道開挖對(duì)土體造成的擾動(dòng)和破壞主要表現(xiàn)為由于開挖后的地層應(yīng)力釋放，周圍重塑土為重新達(dá)到應(yīng)力平衡和為了彌補(bǔ)地層損失所發(fā)生的地層移動(dòng)。這就引發(fā)了一定范圍內(nèi)土體的整體移動(dòng)變形，集中體現(xiàn)為地表橫向沉降槽，見圖3。

圖3 地表橫向沉降

圖3表示了監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)的沉降值隨隧道開挖的不斷發(fā)展過程。在橫坐標(biāo)的負(fù)值區(qū)域由于有局部的雜填土，起始在固結(jié)作用下表現(xiàn)出相對(duì)較大的沉降量，隨著隧道開挖的影響值越來越大，其固結(jié)沉降量可以忽略不計(jì)。從沉降曲線的輪廓來看，接近于正態(tài)分布，由對(duì)稱性可以判別橫向沉降槽寬度(沉降曲線對(duì)稱中心到曲線拐點(diǎn)的距離)約為11 m。由于土層具有不同程度的濕陷性，其在降雨后的沉降也宏觀表現(xiàn)為沉降，因此曲線拐點(diǎn)外側(cè)的土體沉降量并沒有很快地收斂。

2.2.2 Peck公式適用性的判定

1969年，Ralth Peck從當(dāng)時(shí)得到的20多個(gè)隧道實(shí)例中總結(jié)出隧道的橫向沉降槽曲線呈近似的正態(tài)分布(高斯曲線)。后來大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也證實(shí)了其論斷。Peck公式為

式中，s為地表任一點(diǎn)沉降量;smax為地表最大沉降量(對(duì)應(yīng)于隧道軸線位置);y為沉降曲線中心到所計(jì)算點(diǎn)的距離;i為沉降槽的寬度，即沉降曲線對(duì)稱中心到曲線拐點(diǎn)的距離。

韓煊、李寧等[9]在研究Peck公式在中國(guó)隧道的適用性時(shí)，通過對(duì)Peck公式進(jìn)行變形，給出式(2)

3 沉降槽寬度的確定

1982年，O’Reilly和 New[10]根據(jù)倫敦地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，得出下式

式中，k為取決于不同土壤類型的沉降槽寬度系數(shù);z0為隧道拱頂?shù)降乇淼木嚯x。O’Reilly和New后來又根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給出了以下經(jīng)驗(yàn)公式

黏性土:

其他的研究者也證實(shí)黏性土的k值取值范圍是0.4～0.5。

通過對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)做回歸分析，可得回歸直線斜率(見圖 4)M=-0.003 7，又由式(4)有

圖4 ln(s/smax)與y2關(guān)系的散點(diǎn)圖及回歸曲線

把圖4中回歸曲線的斜率M代入式⑸可得i=11.6，測(cè)點(diǎn)所在斷面的平均埋深為16 m，代入式(3)可得k=0.66。

韓煊、李寧等通過對(duì)國(guó)內(nèi)8個(gè)地區(qū)的多組觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析給出了我國(guó)部分地區(qū)沉降槽寬度參數(shù)初步建議值，見表 2[9]。

表2 我國(guó)部分地區(qū)沉降槽寬度參數(shù)k初步建議值

由表2可知本次觀測(cè)值與建議值相對(duì)較大，其原因可能有①上層較厚雜填土疏密不均，監(jiān)測(cè)期間存在固結(jié)沉降;②土層的厚薄不均加之濕陷性系數(shù)具有一定的差異性。由于樣本數(shù)相對(duì)較少，監(jiān)測(cè)值只能對(duì)本地區(qū)后續(xù)工程和類似土質(zhì)具有參考意義。

圖5為DK20+450斷面實(shí)測(cè)沉降槽和其高斯擬合曲線的對(duì)比圖。由圖中看出兩曲線能夠較好地吻合，由于兩側(cè)土體的不均性使得擬合曲線的頂點(diǎn)稍微偏離于中軸線。

圖5 DK20+450斷面實(shí)測(cè)沉降槽和其高斯擬合曲線對(duì)比

4 結(jié)論

西安地鐵會(huì)展中心站配線暗挖段區(qū)間屬西安黃土梁，通過該淺埋暗挖隧道臺(tái)階法施工中洞開挖所引起的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論:

1)淺埋暗挖隧道臺(tái)階法施工時(shí)，上導(dǎo)對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響范圍為-2D～1D，下導(dǎo)對(duì)測(cè)點(diǎn)的影響范圍為-2D～3D。上導(dǎo)引起的沉降量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于下導(dǎo)所引起的。

2)采用臺(tái)階法施工，下導(dǎo)對(duì)沉降的影響量要大于上導(dǎo)引起的，由此在下導(dǎo)開挖后要在最短時(shí)間內(nèi)施作初襯，使其盡快達(dá)到閉合結(jié)構(gòu)，減少圍巖的松動(dòng)，減小沉降。

3)地表的橫向沉降槽曲線符合Peck公式，且由此得出的沉降槽寬度i為11 m。當(dāng)應(yīng)用O’Reilly和New的經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，可取沉降槽寬度參數(shù)k=0.66。

4)沉降槽可以用高斯曲線進(jìn)行較好地?cái)M合，但由于黃土的濕陷性系數(shù)和各地區(qū)土質(zhì)的差異性，沉降槽寬度只能對(duì)類似土質(zhì)具有參考意義。

[1]PECK R B. Deep excavations and tunnelling in soft ground[C]∥Proc.7th Int.Conf.SMFE.Mexico City:State of the Art Volume，1969:225-290.

[2]關(guān)寶樹，國(guó)兆林.隧道及地下工程[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2002.

[3]姜德義，任松，劉新榮，等.隧道拱頂下沉?xí)r序遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2:547-550.

[4]張頂立，黃俊.地鐵隧道施工拱頂下沉值的分析與預(yù)測(cè)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(10):1703-1707.

[5]鐘有信，羅草原.淺埋暗挖地鐵施工地層沉降監(jiān)測(cè)與控制[J].西部探礦工程，2003，83(4):91-93.

[6]賈建波，焦蒼，范鵬.天津地鐵淺埋暗挖隧道地表變形分析[J].隧道建設(shè)，2006，26(1):18-20，24.

[7]呂勤，張頂立，黃俊.城市地鐵暗挖施工地層變形機(jī)理及控制實(shí)踐[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，13(7):29-34.

[8]姚永勤.錢倉(cāng)山隧道地表沉降監(jiān)測(cè)與分析[J].鐵道建筑，2009(11):40-42.

[9]韓煊，李 寧，STANDING J R.Peck公式在我國(guó)隧道施工地面變形預(yù)測(cè)中的適用性分析[J].巖土力學(xué)，2007，28(1):23-28，35.

[10]O’REILLY M P，NEW B M.Settlements above tunnels in the United Kingdom——their magnitude and prediction[C]∥Proc. Tunnelling 82， Institution ofMining and Metallurgy，London，1982:173-181.

U451

A

1003-1995(2010)06-0058-04

2009-12-16;

2010-03-20

李輝(1963— )，女 ，河南洛陽(yáng)人，副教授。

(責(zé)任審編 王天威)