徐明祥，黃強(qiáng)兵，2，王慶兵，李明鍔，雷 建

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程系，陜西 西安 710054；2. 長(zhǎng)安大學(xué)巖土與地下工程研究所，陜西 西安 710054； 3.北京市政路橋集團(tuán)股份有限公司，北京 100045)

自20世紀(jì)以來(lái)，尤其是1976年唐山大地震發(fā)生后，由于過(guò)量抽取地下水，西安市區(qū)先后出現(xiàn)了14條地裂縫帶，其活動(dòng)時(shí)間之長(zhǎng)和規(guī)模之大，在國(guó)內(nèi)外十分罕見(jiàn)。地裂縫所到之處，不少地面建(構(gòu))筑物和地下設(shè)施遭到破壞，迄今為止已造成數(shù)十億元的直接經(jīng)濟(jì)損失。西安市中長(zhǎng)期城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃23條線路，幾乎不可避免地穿越多條地裂縫。針對(duì)西安地鐵建設(shè)中的地裂縫問(wèn)題，國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者開(kāi)展了大量相關(guān)研究并取得了一系列重要研究成果[1-6]。然而，地裂縫地段地鐵暗挖隧道施工地層沉降方面的研究鮮有報(bào)道。實(shí)際工程中地裂縫地段降水、開(kāi)挖施工均可能產(chǎn)生較大的地層及地表沉降，對(duì)隧道及周邊建(構(gòu))筑物安全構(gòu)成威脅，因此開(kāi)展地裂縫地段地鐵隧道暗挖施工地層及地表沉降的研究具有十分重要的意義和工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)于地鐵施工引起地表沉降問(wèn)題，Peck最早在1969年基于大量的工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出一種利用高斯方程來(lái)預(yù)測(cè)地鐵隧道開(kāi)挖引起地表沉降的經(jīng)驗(yàn)公式[7]。韓煊等[8]根據(jù)大量地鐵實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了Peck公式預(yù)測(cè)我國(guó)大部分地區(qū)地鐵隧道開(kāi)挖引起地表沉降的適用性，給出了部分地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式的參數(shù)建議值，并指出Peck公式在淺埋和超淺埋暗挖隧道地表沉降預(yù)測(cè)的局限性。張成平等[9]針對(duì)軟圍巖富水條件下的重疊隧道開(kāi)挖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出地表沉降槽局部曲率和斜率明顯大于水平近距隧道。還有學(xué)者基于Peck公式對(duì)實(shí)測(cè)資料的反演分析得出了不同施工方法、地層條件、不同埋深情況下的地表沉降量、地層損失率、沉降槽寬度的變化規(guī)律[10]。時(shí)亞昕等[11]、段寶福等[12]對(duì)淺埋暗挖隧道引起地表沉降的預(yù)測(cè)方法和理論進(jìn)行了研究。國(guó)外有學(xué)者采用經(jīng)驗(yàn)法(Peck)、解析法(Loganathan和Poulos)和數(shù)值法(FDM)估算了Qom地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降量[13]。

此外，淺埋暗挖隧道施工過(guò)程及相關(guān)沉降控制技術(shù)也有學(xué)者開(kāi)展了不少研究，并取得了一些重要成果[14-20]。張成平等[14]根據(jù)普氏平衡拱理論,對(duì)淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷進(jìn)行了研究,并結(jié)合地層條件和施工情況給出了誘發(fā)地表塌陷的原因，并提出了相應(yīng)的控制技術(shù)。黃俊等[18]采用FLAC3D對(duì)重疊隧道暗挖四步臺(tái)階法施工引起的地層三維變形規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到隧道開(kāi)挖過(guò)程中開(kāi)挖引起的地層變形和失水引起的地層變形量值,并區(qū)分一般地層和含水、含砂地層的環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)；任建喜等[19]對(duì)暗挖區(qū)間進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析黃土地層隧道交叉中隔墻法(即CRD工法)施工引起的圍巖及地表變形規(guī)律；姚宏偉等[20]對(duì)CRD工法的開(kāi)挖工序、臨時(shí)支護(hù)型式、開(kāi)挖步距以及臨時(shí)支護(hù)拆除方式等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。總體上來(lái)看，地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降目前仍然缺少精確計(jì)算方法，上述研究主要針對(duì)淺埋暗挖法引起的地表及隧道變形，沒(méi)有涉及到城市地裂縫這種軟弱地質(zhì)帶問(wèn)題，地裂縫帶的存在對(duì)地鐵隧道暗挖施工、地表沉降及附近建(構(gòu))筑物的安全均存在較大影響。

本文基于有限元數(shù)值模擬方法，結(jié)合施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)城市地鐵隧道穿越地裂縫帶淺埋暗挖施工引起的地層、地表及隧道變形規(guī)律進(jìn)行研究，以期揭示地裂縫地段淺埋暗挖施工對(duì)附近地層、地表及隧道結(jié)構(gòu)變形的影響，為西安地鐵穿越地裂縫帶淺埋暗挖隧道施工提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考。

1 工程概況

西安地鐵丈八四路站—丈八一路站盾構(gòu)區(qū)間(暗挖段)位于西安市錦業(yè)路(圖1)，里程范圍為YDK21+841.181—YDK22+006.181，本區(qū)間在YCK21+953.400處設(shè)置1座施工豎井及橫通道；區(qū)間有f8地裂縫穿過(guò)，區(qū)間隧道采用淺埋暗挖法施工。

丈八四路站—丈八一路站盾構(gòu)區(qū)間(暗挖段)沿線西高東低，場(chǎng)地地面貌單元為皂河沖洪積一級(jí)階地，場(chǎng)地現(xiàn)地面標(biāo)高介于409.74～411.92 m，最大相對(duì)高差約2.18 m。f8地裂縫從本場(chǎng)地通過(guò)，地裂縫在該段的走向約NE43°，傾向SE，傾角約80°，與線路夾角47°。區(qū)間25 m深度內(nèi)地層主要為人工填土、粉質(zhì)黏土、中砂、局部薄砂層粉細(xì)砂及粉土透鏡體等。地下水位位于地面以下7.8 ～8.8 m，區(qū)間拱頂埋深9.5 ～14.0 m之間，施工前將地下水降到隧道拱底下5.0 m后開(kāi)始施工。本文選取施工段右線YDK21+843-YDK21+943長(zhǎng)100 m范圍為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬，分析地表及隧道變形規(guī)律。右線隧道斷面為A型斷面，寬9.00 m，高9.22 m(圖2)。

圖1 暗挖隧道平面布置示意圖Fig.1 Layout of the underground tunnel

圖2 隧道A型斷面(單位：mm)Fig.2 Type A section of the tunnel (mm)

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

本次數(shù)值模擬選取右線一段標(biāo)準(zhǔn)斷面YDK21+843～YDK21+943建立有限元計(jì)算模型(圖3)，長(zhǎng)×寬×高=135 m×70 m×50 m，區(qū)間隧道埋深9.5 m。模型采用 Mohr—Coulomb 屈服準(zhǔn)則，模型共計(jì)劃分了61 977個(gè)單元，89 131個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算中，初始地應(yīng)力場(chǎng)只考慮土體自重產(chǎn)生的自重應(yīng)力，屬于不同層的土體在計(jì)算中均視為均勻連續(xù)介質(zhì)，圍巖及混凝土均不考慮體積膨脹。模型中周圍土層均采用實(shí)體單元，為簡(jiǎn)化模型超前支護(hù)加固區(qū)采用改變相應(yīng)土層屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)，不考慮二次襯砌。鋼拱架和噴射混凝土的共同作用采用板單元模擬(圖4)。地裂縫作為一種地層的軟弱帶，模擬計(jì)算時(shí)采用interface接觸單元來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖5)。

圖3 有限元計(jì)算模型Fig.3 Schematic diagram of the FE numerical calculation model

圖4 隧道襯砌與支護(hù)Fig.4 Lining and support of the tunnel

圖5 地裂縫與隧道斜交示意圖Fig.5 Schematic diagram of the oblique intersection between the ground fissure and tunnel

2.2 模型及計(jì)算參數(shù)

地裂縫一般被粉土、細(xì)沙等松散物質(zhì)填充，計(jì)算參數(shù)如表1所示。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，丈八四路站—丈八一路站穿越地層主要為人工填土，黃土狀土及粉質(zhì)黏土，簡(jiǎn)化后各土層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 地裂縫計(jì)算參數(shù)

表2 地層計(jì)算參數(shù)

2.3 邊界條件及計(jì)算工況

計(jì)算時(shí)給模型的x和y方向施加水平約束，模型底部施加z方向的垂直約束，模型頂部為不加約束的自由面。在此基礎(chǔ)上對(duì)隧道施工過(guò)程中的相互影響進(jìn)行分析。導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)先進(jìn)行超前注漿加固地層，之后進(jìn)行右上導(dǎo)洞、右下導(dǎo)洞、左上導(dǎo)洞、左下導(dǎo)洞的開(kāi)挖。右上導(dǎo)洞封閉成環(huán)5 m后，開(kāi)挖右下導(dǎo)洞。右上導(dǎo)洞封閉成環(huán)15 m后，開(kāi)挖左上導(dǎo)洞。左上導(dǎo)洞封閉成環(huán)5 m后，開(kāi)挖左下洞。右下、左上、左下導(dǎo)洞分別滯后右上洞5 m、15 m、20 m(圖6)。

圖6 CRD工法開(kāi)挖模擬示意圖Fig.6 Schematic diagram of the CRD excavation simulation

2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

在模擬開(kāi)挖過(guò)程中選取三個(gè)斷面對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行地表沉降和拱頂沉降變形的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖8所示，在垂直于隧道中心線方向選取H1、H2、H3三個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中H1里程位置為Y21+923，該斷面距離地裂縫45 m，完全位于地裂縫上盤(pán)；H2斷面與隧道中心線交于Y21+893，與地裂縫相距15 m，與H1斷面相距30 m；H3斷面與隧道中心線相交于Y21+863，該斷面位于地裂縫下盤(pán)。a、b為距地裂縫5 m的兩側(cè)差異沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),V1、V2、V3分別為隧道軸線與H1、H2、H3測(cè)線在地表的交點(diǎn)。

圖7 監(jiān)測(cè)斷面布置圖(單位：m)Fig.7 Monitoring section layout (m)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 地表沉降變形特征

(1)沿開(kāi)挖方向地表測(cè)點(diǎn)沉降過(guò)程

為了分析開(kāi)挖過(guò)程中沿開(kāi)挖方向地表沉降變形規(guī)律，分別提取了H1、H2、H3三個(gè)斷面與隧道中心線在地表的交點(diǎn)V1、V2、V3在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的沉降數(shù)據(jù)，繪制開(kāi)挖過(guò)程隧道中心軸線方向地表沉降變形曲線(圖8)。從圖8可以看出隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，地表沉降變形曲線呈反S型規(guī)律性變化，越靠近地裂縫位置沉降越明顯，在地裂縫附近(V2和V3監(jiān)測(cè)點(diǎn))地表沉降大致可以分為三個(gè)階段：緩慢變化階段、急劇下沉階段和穩(wěn)定階段。其中在緩慢變化階段上盤(pán)表現(xiàn)為地表下沉，下盤(pán)表現(xiàn)為隆起趨勢(shì)。

圖8 沿隧道軸線開(kāi)挖引起的地表沉降計(jì)算值Fig.8 Calculated surface settlement caused by excavation along the axis of the tunnel

地裂縫上盤(pán)較遠(yuǎn)處的測(cè)點(diǎn)V1，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為10 m即開(kāi)挖面距監(jiān)測(cè)斷面H1為10 m時(shí)，地表受到擾動(dòng)開(kāi)始下沉，沉降量較小僅為0.5 mm，此后開(kāi)始進(jìn)入急劇下沉階段；當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為65 m即開(kāi)挖工作面離開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面40 m時(shí)進(jìn)入平穩(wěn)階段，沉降量達(dá)到13 mm，隨后趨于穩(wěn)定。位于地裂縫上盤(pán)的靠近地裂縫帶的測(cè)點(diǎn)V2，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺30 m即開(kāi)挖斷面距監(jiān)測(cè)斷面H2為20 m時(shí)，受到開(kāi)挖擾動(dòng)開(kāi)始下沉，然后進(jìn)入急劇下沉階段；當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為90 m即距監(jiān)測(cè)斷面40 m后基本不再繼續(xù)沉降，此時(shí)沉降量達(dá)到17 mm。而位于地裂縫下盤(pán)的測(cè)點(diǎn)V3，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺75 m即開(kāi)挖斷面距監(jiān)測(cè)斷面H3為5 m時(shí)，地表受到開(kāi)挖擾動(dòng)發(fā)生輕微沉降；此后開(kāi)始進(jìn)入急劇下沉階段，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為115 m即距監(jiān)測(cè)斷面35 m時(shí)進(jìn)入平穩(wěn)階段，其沉降量達(dá)到12 mm；隨著開(kāi)挖的進(jìn)行地表不再下沉,地表沉降最終穩(wěn)定。

位于上盤(pán)距地裂縫較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)V1開(kāi)挖影響進(jìn)尺為55 m,V2測(cè)點(diǎn)的開(kāi)挖影響進(jìn)尺為60 m，而位于下盤(pán)的V3測(cè)點(diǎn)開(kāi)挖影響進(jìn)尺為40 m，明顯小于與距地裂相同位置的測(cè)點(diǎn)V2。所以穿越地裂縫帶淺埋暗挖隧道上盤(pán)的開(kāi)挖影響進(jìn)尺范圍大于下盤(pán)。

圖9 隧道軸線地表特征點(diǎn)實(shí)測(cè)沉降曲線Fig.9 Measured settlement curves of the surface monitoring points along the tunnel axis

圖9給出了施工過(guò)程中的地表特征點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)曲線，與圖8計(jì)算結(jié)果對(duì)比，實(shí)測(cè)地表沉降隨開(kāi)挖進(jìn)尺規(guī)律與數(shù)值模擬曲線基本一致，但地表最終沉降量大于數(shù)值計(jì)算結(jié)果。地裂縫上盤(pán)V1測(cè)點(diǎn)最終沉降量接近70 mm，上盤(pán)V2測(cè)點(diǎn)接近75 mm,下盤(pán)V3測(cè)點(diǎn)沉降約50 mm。這是因?yàn)槭┕ぶ暗叵滤灰抵了淼拦暗? m以下，降水水位達(dá)15 m以上，土體因孔隙水壓力逐漸消失，土顆粒間有效應(yīng)力增加，降水后的土層發(fā)生滲流固結(jié)引起地表沉降。時(shí)間上滲流固結(jié)產(chǎn)生的沉降隨時(shí)間逐漸增加；空間上施工和隧道變形對(duì)土層產(chǎn)生擾動(dòng)也會(huì)引起地表沉降，這種“時(shí)空效應(yīng)”所產(chǎn)生的結(jié)果明顯大于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。目前二者作用關(guān)系還不夠明確，后續(xù)將進(jìn)一步探討。由于施工過(guò)程的復(fù)雜性和不確定性，在施工停滯階段沉降繼續(xù)，曲線出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)狀。

(2)沿隧道縱向地表最終沉降變化規(guī)律

圖10是沿隧道縱向地表最終沉降變化曲線。由圖可知，沿隧道軸線由地裂縫上盤(pán)向下盤(pán)的開(kāi)挖過(guò)程中地表縱向最終沉降曲線呈現(xiàn)凹槽并伴有臺(tái)階型，上盤(pán)因開(kāi)挖引起的地表最終沉降明顯大于下盤(pán)地表，沉降凹槽底部即最大沉降位置位于上盤(pán)距地裂縫帶5 m左右的位置，最大沉降值達(dá)到20 mm。同時(shí)地裂縫下盤(pán)靠近地裂縫附近地表最終沉降出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，說(shuō)明當(dāng)隧道開(kāi)挖通過(guò)地裂縫帶進(jìn)入其下盤(pán)時(shí)在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了類似于上盤(pán)的明顯沉降，但沉降量比上盤(pán)要小得多。根據(jù)沿隧道軸線開(kāi)挖方向地表最終沉降曲線變化特征，可以判定地裂縫帶暗挖施工的大致影響范圍：上盤(pán)約45 m、下盤(pán)約35 m，暗挖施工總的影響區(qū)范圍L約為80 m，上盤(pán)影響范圍大于下盤(pán)。在上盤(pán)距地裂縫5 m處地表沉降最明顯，響應(yīng)最大，施工時(shí)需要引起重視。

圖10 沿隧道軸線地表最終沉降曲線Fig.10 Final ground surface settlement curve along the tunnel axis

隧道軸線地表最終沉降實(shí)測(cè)曲線與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比，不難看出實(shí)測(cè)曲線與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果曲線走勢(shì)一致，沉降最大值出現(xiàn)在上盤(pán)距地裂縫5 m左右，最大沉降值達(dá)77 mm，地裂縫處亦出現(xiàn)沉降錯(cuò)臺(tái)，上盤(pán)最終沉降值也大于下盤(pán)，由于“時(shí)空效應(yīng)”致使地表整體沉降實(shí)測(cè)值大于數(shù)值計(jì)算值。

(3)地裂縫附近地表變形與開(kāi)挖進(jìn)尺之間的關(guān)系

圖11給出了地裂縫帶附近兩側(cè)的地表差異沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)a、b點(diǎn)隨開(kāi)挖進(jìn)尺的累積沉降變化曲線。a、b測(cè)點(diǎn)分別位于下盤(pán)、上盤(pán)距地裂縫5 m處(圖7)。當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為50 m時(shí)即工作面距地裂縫15 m時(shí)，上盤(pán)測(cè)點(diǎn)b開(kāi)始出現(xiàn)明顯下沉，此時(shí)下盤(pán)a測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)變化。當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為70 m即工作面距地裂縫5 m時(shí)，位于下盤(pán)的測(cè)點(diǎn)a開(kāi)始下沉，b測(cè)點(diǎn)處于急劇下沉階段。當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為100 m時(shí)即工作面距地裂縫35 mm時(shí)，下盤(pán)測(cè)點(diǎn)b進(jìn)入平穩(wěn)階段，最終沉降約為9 mm而a測(cè)點(diǎn)沉降值繼續(xù)增大。當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為110 m即工作面距地裂縫45 m時(shí)，進(jìn)入平穩(wěn)階段，最終沉降約為17 mm。

總體上來(lái)看，地裂縫帶附近兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降隨開(kāi)挖進(jìn)尺的增大有顯著差異。地裂縫的存在使上盤(pán)監(jiān)測(cè)點(diǎn)b沉降過(guò)程變長(zhǎng)，下盤(pán)監(jiān)測(cè)點(diǎn)a的緩慢下沉階段不明顯；上盤(pán)測(cè)點(diǎn)b比下盤(pán)測(cè)點(diǎn)a的最終沉降量約大8 mm。

圖11 地裂縫兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)差異沉降計(jì)算值Fig.11 Calculation of the differential settlement of the monitoring points on both sides of the ground fissure

圖12給出了地裂縫兩側(cè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的差異沉降實(shí)測(cè)曲線，當(dāng)開(kāi)挖工作面通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上方后，地表沉降速率具有增大現(xiàn)象，與數(shù)值模擬結(jié)果(圖11)相比該監(jiān)測(cè)曲線在開(kāi)挖進(jìn)尺100 m附近并沒(méi)有出現(xiàn)沉降平穩(wěn)階段，實(shí)際施工過(guò)程中平穩(wěn)階段滯后于數(shù)值模擬結(jié)果。

圖12 地裂縫兩側(cè)地表差異沉降實(shí)測(cè)值Fig.12 Settlement curves of differential settlements during the construction on both sides of the ground fissure

3.2 地表橫向變形特征

圖13為H1、H2、H3監(jiān)測(cè)斷面的橫向地表沉降曲線。沉降曲線呈凹槽型，沉降槽底部均位于隧道中心處。H1位于地裂縫上盤(pán)45 m處，在左右距隧道中心20 m處開(kāi)始產(chǎn)生緩慢沉降，隨后沉降值快速增大，在隧道中心處產(chǎn)生約13 mm的最大沉降量，隧道開(kāi)挖影響范圍為橫向40 m，約4.5倍洞徑。H2位于地裂縫上盤(pán)15 m處，在左距隧道中心25 m處開(kāi)始產(chǎn)生緩慢沉降，隨后沉降值快速增大，在隧道中心處產(chǎn)生17 mm沉降；H2右側(cè)與地裂縫相交處產(chǎn)生沉降錯(cuò)臺(tái)，沉降差異值約為3 mm，隧道開(kāi)挖影響范圍為50 m，約5.5倍洞徑。位于地裂縫下盤(pán)15 m處的H3，在左右距隧道中心15 m處開(kāi)始產(chǎn)生緩慢沉降，隨后沉降值快速增大，在隧道中心處產(chǎn)生12 mm的最大沉降量。在與地裂縫相交處產(chǎn)生沉降錯(cuò)臺(tái)，沉降差異值約為3 m，隧道開(kāi)挖影響范圍為30 m范圍約3倍洞徑。隧道上盤(pán)、下盤(pán)產(chǎn)生差異沉降約5 mm。

圖13 橫向地表沉降曲線Fig.13 Horizontal surface settlement curve

由此可認(rèn)為地裂縫帶的存在會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的沉降槽產(chǎn)生影響；使上盤(pán)沉降值大于下盤(pán)，上盤(pán)沉降槽寬度大于下盤(pán)沉降槽寬度，在上盤(pán)靠近地裂縫位置處，沉降槽寬度、沉降值均有增大現(xiàn)象，在橫斷面與地裂縫相交處出現(xiàn)沉降錯(cuò)臺(tái)。

對(duì)無(wú)沉降錯(cuò)臺(tái)的斷面H1沉降槽進(jìn)行曲線擬合(圖14)，擬合曲線為高斯回歸曲線，表明穿越地裂縫帶淺埋暗挖隧道施工引起的地表沉降符合高斯分布。

擬合公式為：

式中：y——沉降數(shù)值；

x——距隧道中心的橫向距離，確定系數(shù)R2=0.97。

沉降槽寬度系數(shù)i=7.56，即隧道中線至沉降槽曲線反彎點(diǎn)距離，其控制著沉降槽的寬度與范圍。

圖14 地表沉降槽擬合曲線Fig.14 Fitting curves of the ground settlement grooves

3.3 隧道拱頂?shù)卓v向沉降變化特征

由于施工條件限制，一般隧道施工中拱頂變形監(jiān)測(cè)通常在隧道封閉成環(huán)之后，尤其是CRD工法隧道施工導(dǎo)致監(jiān)測(cè)滯后較長(zhǎng)，會(huì)錯(cuò)過(guò)隧道變形發(fā)展最快階段，故在此僅給出拱頂最終沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

為了分析開(kāi)挖過(guò)程中沿開(kāi)挖方向拱頂沉降變形規(guī)律，分別提取了H1、H2、H3三個(gè)斷面與隧道拱頂交點(diǎn)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的沉降數(shù)據(jù)，繪制開(kāi)挖過(guò)程隧道中心軸線方向拱頂沉降變形曲線(圖15～16)。

圖15 開(kāi)挖過(guò)程中隧道拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積沉降Fig.15 Cumulative settlement of the tunnel vault monitoring points during excavation

由圖15可以看出開(kāi)挖過(guò)程中的拱頂沉降曲線與地表沉降曲線(圖8)類似。位于地裂縫上盤(pán)較遠(yuǎn)處的H1與拱頂交點(diǎn)在開(kāi)挖工作面距拱頂測(cè)點(diǎn)10 m時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生沉降，但緩慢沉降階段持續(xù)較短；隨后開(kāi)挖面離開(kāi)測(cè)點(diǎn)20 m時(shí)進(jìn)入平穩(wěn)階段，最終沉降量約為16 mm，沉降過(guò)程約為開(kāi)挖進(jìn)尺30 m。位于地裂縫上盤(pán)靠近地裂縫帶的H2與拱頂交點(diǎn)在開(kāi)挖工作面距拱頂測(cè)點(diǎn)15 m時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生沉降，隨后在開(kāi)挖面離開(kāi)測(cè)點(diǎn)40 m時(shí)進(jìn)入平穩(wěn)階段，最終沉降量約為20 mm，沉降過(guò)程約為開(kāi)挖進(jìn)尺55 m。位于地裂縫下盤(pán)的H3斷面與拱頂交點(diǎn)在開(kāi)挖工作面距拱頂測(cè)點(diǎn)5 m時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生明顯沉降，隨后在開(kāi)挖面離開(kāi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)21 m時(shí)進(jìn)入平穩(wěn)階段，最終沉降量約為16 mm，沉降過(guò)程約為開(kāi)挖進(jìn)尺26 m。當(dāng)開(kāi)挖面位于測(cè)點(diǎn)拱頂上方時(shí)拱頂沉降速率均達(dá)到最大。

三個(gè)斷面與拱頂交點(diǎn)沉降曲線存在相似變化規(guī)律，但是由于地裂縫的存在產(chǎn)生差異。地裂縫使上盤(pán)拱頂靠近地裂縫的測(cè)點(diǎn)沉降過(guò)程變長(zhǎng)，上盤(pán)隧道拱頂沉降過(guò)程長(zhǎng)于下盤(pán)，上盤(pán)最終沉降量大于下盤(pán)。隧道拱頂測(cè)點(diǎn)沉降量大于地表相應(yīng)測(cè)點(diǎn)沉降量約5 mm。

圖16 隧道拱頂拱底最終位移計(jì)算值Fig.16 Calculation of the final displacement of the tunnel arch roof and arch bottom

圖16是隧道拱頂最終沉降量和拱底最終位移變化曲線。由圖可知，沿隧道軸線開(kāi)挖方向在上盤(pán)地裂縫帶處有明顯的差異沉降，尤其是上盤(pán)位置出現(xiàn)明顯的沉降凹槽。拱頂凹槽底部即最大沉降位置位于上盤(pán)距地裂縫帶5 m左右，沉降值達(dá)25 mm；拱頂隆起也呈現(xiàn)凹槽型，最小隆起位移距上盤(pán)地裂縫帶13 m處且只有5 mm左右，最大隆起值位于地裂縫帶處達(dá)27 mm。根據(jù)隧道拱頂位移曲線可以判定地裂縫帶暗挖施工對(duì)拱頂和拱底的影響區(qū)范圍：拱頂總影響區(qū)L約為50 m，影響范圍主要位于上盤(pán)；拱底影響區(qū)L約為55 m，影響范圍主要位于地裂縫帶兩側(cè)。當(dāng)隧道施工至此范圍內(nèi)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并采取加強(qiáng)支護(hù)的方式，避免隧道和地層變形過(guò)大。

圖17是隧道最終沉降實(shí)測(cè)曲線，可以看出該曲線規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果(圖16)一致，整體沉降值略小于數(shù)值模擬結(jié)果。在上盤(pán)距地裂縫5 m處出現(xiàn)沉降凹槽，沉降值約18 mm，上盤(pán)最終沉降值約12 mm。

圖17 隧道拱頂最終位移實(shí)測(cè)值Fig.17 Measured curve of the final displacement of the tunnel arch roof

4 結(jié)論

(1)地表處的沉降曲線隨開(kāi)挖進(jìn)尺均呈反S型變化規(guī)律，可分為：平緩變化階段、急劇下沉階段和穩(wěn)定階段；穿越地裂縫帶淺埋暗挖隧道上盤(pán)的開(kāi)挖影響進(jìn)尺大于下盤(pán)。

(2)隧道中心線地表最終沉降在地裂縫附近靠近上盤(pán)5 m處出現(xiàn)集中沉降區(qū),在下盤(pán)與地裂縫接觸位置出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)。地裂縫帶暗挖施工對(duì)地表的影響范圍為上盤(pán)約45 m、下盤(pán)約35 m，暗挖施工總的影響區(qū)范圍L約為80 m，上盤(pán)影響范圍大于下盤(pán)。在上盤(pán)距地裂縫5 m處地表沉降最明顯，響應(yīng)最大，施工時(shí)需要重視。

(3)地裂縫帶兩側(cè)隨開(kāi)挖進(jìn)尺增大沉降有顯著差異，地裂縫的存在使上盤(pán)沉降過(guò)程變長(zhǎng)，使下盤(pán)的緩慢下沉階段不明顯。

(4)地表橫向變形規(guī)律符合高斯分布，上盤(pán)沉降值大于下盤(pán)；上盤(pán)沉降槽寬度大于下盤(pán)；在上盤(pán)靠近地裂縫位置處，沉降槽寬度、沉降值均有增大現(xiàn)象；地裂縫兩側(cè)出現(xiàn)沉降錯(cuò)臺(tái)。

(5)拱頂最大沉降出現(xiàn)在上盤(pán)距地裂縫5 m處，達(dá)25 mm；拱頂最小隆起在上盤(pán)距地裂縫13 m，處達(dá)27 mm；拱底和拱頂在下盤(pán)與地裂縫接觸位置均出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)；地裂縫帶暗挖施工對(duì)拱頂、拱底影響區(qū)范圍分別為50 m、55 m。在施工過(guò)程中應(yīng)注意靠近上盤(pán)地裂縫位置防止土體塌落并加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。

需要指出的是，本文重點(diǎn)分析的是地裂縫地段地鐵隧道暗挖施工引起的地層及隧道沉降變形特征，側(cè)重暗挖施工過(guò)程中地裂縫帶的存在對(duì)地層及隧道沉降的影響。由于篇幅所限，沒(méi)有涉及整個(gè)施工開(kāi)挖過(guò)程尤其是降水施工和開(kāi)挖二者的疊加效應(yīng)，后續(xù)將進(jìn)一步深入研究。