西安地鐵隧道穿越飽和軟黃土地段的地表沉降監(jiān)測

賀農(nóng)農(nóng)，李 攀，邵生俊，李佳坤，焦陽陽

（1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安 710018；2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西西安 710048）

0 引 言

近年來，中國城市地鐵建設(shè)迅速發(fā)展，地鐵隧道施工過程中不可避免地?cái)_動隧道周圍的土層，形成地表沉降槽，影響鄰近建筑物和地下管線的安全運(yùn)行。針對上述問題，學(xué)者開展了許多地鐵隧道施工引起的地表沉降變形方面的研究［1－10］，對指導(dǎo)工程建設(shè)具有重要的理論與實(shí)際意義。針對隧道地面沉降變形問題，Peck提出了地面沉降槽預(yù)測模型［11］；O'Reilly等結(jié)合倫敦地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)提出了沉降槽寬度與埋深之間的線性關(guān)系［12］，引入地層損失率參數(shù)，得到簡化的基于最大沉降變形量的預(yù)測模型。Attewell等在此基礎(chǔ)上對地表沉降做了更為深入的研究［13－16］。中國學(xué)者通過具體工程實(shí)際監(jiān)測也開展了地表沉降變形研究［17－26］。

目前，西安地鐵二號線地下工程已經(jīng)建成，雖然在隧道等地下工程施工中積累了一些控制地層位移和地表沉降的經(jīng)驗(yàn)，但對軟弱地層中隧道施工引起的圍巖變形和地表沉降的定量化分析及合理預(yù)測還需要進(jìn)一步探索。由于西安地鐵建設(shè)場地位于渭河多級階地，地層上部為疏松的新黃土，其飽和后未經(jīng)壓密的軟黃土具有孔隙比大、欠壓密、強(qiáng)度低的特性，所以隧道施工擾動必然引起較大的沉降變形。西安地鐵一號線朝陽門至康復(fù)路段的地層中就分布有2.50～10.30m厚的飽和軟黃土。對于該飽和軟黃土隧道區(qū)間段的施工，可能存在的施工過程地面沉降過大的問題已經(jīng)引起了工程技術(shù)人員的高度重視。筆者以西安地鐵一號線朝陽門至康復(fù)路段的地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討了在淺埋暗挖法隧道施工條件下飽和軟黃土地段的地表沉降規(guī)律，包括地表最大沉降量、地表沉降槽寬度、地表沉降槽寬度參數(shù)、地層損失率等。

1 工程背景

1.1 工程概況及地層條件

西安地鐵一號線朝陽門站—康復(fù)路站的區(qū)間（以下簡稱為“朝康區(qū)間”）左、右線隧道長度分別為774.597m和776.200m，均采用核心土上、下臺階開挖法，鋼拱架加掛網(wǎng)噴層初支法，模筑鋼筋混凝土永久襯砌構(gòu)筑法施工。該區(qū)間隧道從朝陽門站東側(cè)出發(fā)，下穿長樂西路機(jī)動車道和人行道，至康復(fù)路站西側(cè)。左、右線隧道在平面上均由直線段和半徑為3 000m及1 000m的曲線段組成，左、右線隧道間距為15m。左、右線隧道在朝陽門站東側(cè)具有相同標(biāo)高，軸線平行，從朝陽門東側(cè)至康復(fù)路西側(cè)左線的坡率依次為－0.2%、－0.3%、1.462%、2.419 4%、0.2%，右線的坡率依次為－0.2%、－0.3%、1.462%、2.4%、0.2%。該區(qū)間隧道的最大拱頂埋深在朝陽門站東側(cè)261.0m處，約16.4m深；最小隧道拱頂埋深在康復(fù)路西端，約8.7m深。

隧道區(qū)間的地面標(biāo)高為404.99～407.91m，全段東高西低，高差2.92m。其地貌屬黃土梁洼，區(qū)間范圍內(nèi)地表一般分布有厚薄不均的全新統(tǒng)雜填土（厚度0.70～1.90m）和素填土（厚度0.70～5.10m）；其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土（厚度0.50～5.50m），飽和軟黃土（厚度2.50～10.30m），殘積古土壤（厚度3.20～5.50m）；最下部為中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土（厚度3.30～9.90m），沖積粉質(zhì)黏土（最大厚度19.4m），粉土、細(xì)砂、中砂（厚度0.70～3.50m）及粗砂等。朝陽門至康復(fù)路站隧道區(qū)間西段地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 朝陽門站至康復(fù)路站隧道區(qū)間西端地質(zhì)剖面Fig.1 Geological section at the western end of tunnel from Chaoyangmen Station to Kangfulu Station

隧道區(qū)間建設(shè)影響范圍內(nèi)的地下水屬潛水。地下水埋深4.30～7.50m，標(biāo)高397.89～403.41m。地下水東高西低，高差5.52m。地下水受興慶湖滲漏水的影響顯著，潛水流向?yàn)楸逼珫|。隧道影響范圍的地下水主要補(bǔ)給源包括地下徑流、人工湖滲水、降雨入滲等。地下水的運(yùn)動受潛水徑流、人工開采及蒸發(fā)消耗等影響。該隧道區(qū)間地下水賦存于上更新世殘積古土壤、中更新世風(fēng)積黃土及沖積粉質(zhì)黏土等黏性土層。其主要含水層的更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土中有2、3層中砂透鏡體夾層，分布不連續(xù)，透水性好。

1.2 隧道施工

在飽和軟弱黃土中開挖隧道時(shí)，應(yīng)遵循盡量減少對圍巖的擾動、避免圍巖黃土變形引起強(qiáng)度降低和固結(jié)變形發(fā)展、合理利用圍巖的自身承載能力的原則。在開挖施工時(shí)，一方面減小降水形成的漏斗區(qū)域，縮短降水歷時(shí)，削弱固結(jié)變形發(fā)展；另一方面增強(qiáng)初期支護(hù)，在隧道拱頂上部軟弱黃土中采用注漿小導(dǎo)管、架設(shè)鋼拱架、掛網(wǎng)、噴射混凝土形成初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，分上、下臺階開挖，留置核心土保持掌子面穩(wěn)定。在下半洞開挖未形成封閉初期支護(hù)之前，上半洞初襯鋼拱架腳部連接水平鋼支撐鎖腳。下半洞開挖架設(shè)鋼拱架、掛網(wǎng)、噴射混凝土形成封閉襯砌結(jié)構(gòu)之后，可拆除側(cè)墻腰部水平鋼支撐。接下來，構(gòu)筑鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。上臺階開挖后，應(yīng)及時(shí)構(gòu)筑下半洞初期支護(hù)仰拱，形成初期支護(hù)封閉環(huán)，以便控制地層土體變形。單洞開挖施工支護(hù)的步驟和順序如圖2。圖2中虛線為未施工隧道部分的輪廓線，實(shí)線為已施工隧道部分的輪廓線。

圖2 朝康區(qū)間隧道開挖施工與襯砌支護(hù)工序Fig.2 Constructing procedure of excavating and lining of tunnel from Chaoyangmen Station to Kangfulu Station

2 沉降監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測場地

西安地鐵一號線朝康區(qū)間隧道下穿道路的兩側(cè)均有建筑物，道路兩側(cè)地層的沉降影響到建筑物的安全運(yùn)行。在DK22＋660至DK22＋730段隧道的拱頂埋深為15.4～16.6m。其中，右線DK22＋660至DK22＋680段為B型斷面（高7 705mm，寬7 100mm）隧道；右線DK22＋690至DK22＋730段為A型斷面（高6 550mm，寬6 380mm）隧道；左線DK22＋660至DK22＋680段為C型斷面（高8 605mm，寬8 000mm）隧道；左線DK22＋690至DK22＋715段為B型斷面隧道；左線DK22＋730段為A型斷面隧道。場地內(nèi)有兩條主要的管線：一條為直徑300mm的鑄鐵給水管，埋設(shè)在左線隧道拱頂上方，埋深1.70m；另一條為直徑1 000mm的混凝土排水管，埋設(shè)在右線隧道拱頂上方，埋深4.70～5.46m。

2.2 測點(diǎn)布設(shè)

為了了解DK22＋660～DK22＋730段地層沉降對建筑物和地下管線的影響，沿隧道軸線選擇DK22＋660、DK22＋670、DK22＋680、DK22＋690、DK22＋715、DK22＋730等6個(gè)斷面布設(shè)地表沉降觀測點(diǎn)（圖3），監(jiān)測隧道開挖時(shí)引起的地表沉降。

圖3 朝康區(qū)間隧道地表沉降監(jiān)測點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of monitoring points of ground surface settlement of tunnel from Chaoyangmen Station to Kangfulu Station

使用蘇一光DS05精密水準(zhǔn)儀對地表沉降監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行高程測量，測量出每個(gè)點(diǎn)位的即時(shí)高程。將測得數(shù)據(jù)與前次測得數(shù)據(jù)相減，可得前后兩次監(jiān)測的地表沉降量。將觀測點(diǎn)測量高程與隧道開挖前初始高程比較，可求得累積地表沉降量。依據(jù)同一時(shí)間的測量數(shù)據(jù)也可得到地鐵隧道開挖時(shí)的地表沉降分布曲線及其發(fā)展變化。

3 地表沉降監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 地表沉降變形隨掌子面的變化

隨著隧道開挖后掌子面越來越靠近監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面洞頂上方地面的沉降變形也越來越大。在掌子面通過監(jiān)測斷面后，隨著掌子面的支撐和約束作用釋放，地面沉降變形繼續(xù)發(fā)展。如果以監(jiān)測斷面為基準(zhǔn)，當(dāng)掌子面未通過監(jiān)測斷面時(shí)，掌子面與監(jiān)測斷面的距離為負(fù)值；當(dāng)掌子面通過監(jiān)測斷面后，掌子面與監(jiān)測斷面的距離為正值。那么，以掌子面與監(jiān)測斷面間的距離（L）和隧道洞徑（D）之比為橫坐標(biāo)，以洞頂?shù)孛娉两盗繛榭v坐標(biāo)，可得到各監(jiān)測斷面洞頂?shù)孛娉两盗侩S掌子面的變化曲線。選擇DK22＋680、DK22＋690、DK22＋715三個(gè)監(jiān)測斷面分析，右線隧道單洞開挖過程中洞頂?shù)孛娉两惦S掌子面的變化曲線如圖4～6。

圖4 右線隧道DK22＋680斷面拱頂?shù)乇沓两惦S掌子面的變化Fig.4 Changes of ground settlement above the right tunnel vault with the excavation face at DK22＋680section

圖5 右線隧道DK22＋690斷面拱頂?shù)乇沓两惦S掌子面的變化Fig.5 Changes of ground settlement above the right tunnel vault with the excavation face at DK22＋690section

圖6 右線隧道DK22＋715斷面拱頂?shù)乇沓两惦S掌子面的變化Fig.6 Changes of ground settlement above the right tunnel vault with the excavation face at DK22＋715section

根據(jù)對DK22＋680、DK22＋690、DK22＋715三個(gè)斷面隧道左線洞頂?shù)乇沓两捣治?，可以將隧道地表沉降分?個(gè)階段。沉降微小階段：L／D≤－1，掌子面在監(jiān)測斷面之前，距監(jiān)測斷面在1倍洞徑以上，監(jiān)測斷面的沉降發(fā)展比較小；沉降顯著發(fā)展階段：－1≤L／D≤3，掌子面臨近監(jiān)測斷面，且進(jìn)一步穿越監(jiān)測斷面，地面沉降發(fā)展迅速，最大沉降速率達(dá)1.65mm／d；沉降緩慢階段：3≤L／D≤5，掌子面距離監(jiān)測斷面較遠(yuǎn)，監(jiān)測斷面圍巖已有初襯支撐，掌子面的變化對監(jiān)測斷面圍巖變形的影響越來越小，沉降變形速率減緩；沉降穩(wěn)定階段：L／D≥5，掌子面遠(yuǎn)離測點(diǎn)斷面，沉降變化趨于穩(wěn)定。除此之外，從圖4～6還可以看出，當(dāng)開挖掌子面位于監(jiān)測點(diǎn)斷面時(shí)，地表沉降變形達(dá)到了穩(wěn)定變形時(shí)的40%～50%。

3.2 隧道橫斷面地表沉降變形分析

3.2.1 單線隧道開挖引起的地表沉降變形

隨著掌子面的變化，各監(jiān)測斷面地表的沉降變形逐漸發(fā)展。當(dāng)掌子面對監(jiān)測斷面圍巖的約束和支撐作用全部釋放且初期襯砌支撐形成時(shí)，地表沉降變形趨于穩(wěn)定。依據(jù)沉降變形穩(wěn)定時(shí)的監(jiān)測結(jié)果，朝康區(qū)間右線隧道各監(jiān)測斷面的沉降變形分布如圖7。根據(jù)圖7可以看出，單線隧道開挖時(shí)引起的最大地表沉降變形為18.9mm；各斷面沉降槽寬度見表1，右線各監(jiān)測斷面沉降槽寬度為8.4～9.3m。

表1 各監(jiān)測斷面地表沉降槽寬度Tab.1 Widths of ground settling vessels at different monitoring sections

3.2.2 雙線隧道開挖引起的地表沉降變形分析

圖7 右線隧道各斷面地表沉降分布曲線Fig.7 Distribution curves of ground settlement at different monitoring sections of the right tunnel

在雙線隧道開挖施工中，隨著右線隧道開挖，掌子面逐漸逼近監(jiān)測斷面，地表沉降逐漸發(fā)展。當(dāng)掌子面達(dá)到監(jiān)測斷面且進(jìn)一步向前推進(jìn)時(shí)，地表沉降進(jìn)一步發(fā)展；當(dāng)掌子面對監(jiān)測斷面的約束全部釋放且形成初期襯砌支撐時(shí)，單線隧道開挖引起的地表沉降趨于穩(wěn)定。此后，隨著左線開挖，掌子面臨近監(jiān)測斷面，地表沉降變形又接著發(fā)展。當(dāng)左線掌子面對監(jiān)測斷面圍巖的約束全部釋放且構(gòu)筑形成初期襯砌支撐時(shí)，雙線隧道開挖引起的地表沉降就趨于穩(wěn)定。DK22＋690監(jiān)測斷面地表沉降變形的發(fā)展過程見圖8。

圖8 DK22＋690斷面地表沉降變形分布的發(fā)展過程Fig.8 Changing process of distribution of ground settlement deformation at DK22＋690section

當(dāng)左、右線隧道開挖引起的地表沉降變形趨于穩(wěn)定后，依據(jù)雙線隧道開挖完成后引起的地表沉降量減去右線隧道開挖沉降變形穩(wěn)定的地表沉降量，可得左線隧道開挖引起的地表沉降量。各監(jiān)測斷面的地表沉降曲線見圖9～11。由此可以得出，左線隧道開挖引起的地表沉降大于右線隧道開挖引起的地表沉降。這是因?yàn)橛揖€隧道開挖時(shí)已經(jīng)擾動了左線隧道周圍的土體，當(dāng)雙線隧道開挖的地表沉降穩(wěn)定后，引起的地表最大沉降達(dá)到36.4mm。

圖9 DK22＋670斷面左、右隧道線地表沉降分布Fig.9 Distribution of ground settlement of left and right tunnels at DK22＋670section

圖10 DK22＋680斷面左、右隧道線地表沉降分布Fig.10 Distribution of ground settlement of left and right tunnels at DK22＋680section

圖11 DK22＋690斷面左、右線隧道地表沉降Fig.11 Distribution of ground settlement of left and right tunnels at DK22＋690section

依據(jù)右線、左線和雙線開挖引起的地表沉降分布曲線，可得到各監(jiān)測斷面的沉降槽寬度（表1）。這表明右線隧道開挖引起的地表沉降槽寬度為8.4～9.3m，左線隧道由于圍巖土體受到右線開挖擾動的影響，地表沉降量大于右線隧道，但其單線的沉降槽寬度基本與右線相同。雙線隧道開挖引起的地表沉降槽寬度為16.2～17.5m，接近單線隧道沉降槽寬度的2倍，近似等于單線隧道沉降槽寬度與雙線隧道軸線中點(diǎn)距離之和。

3.2.3 地面沉降槽寬度分析

前人研究表明，影響地表沉降槽寬度的因素有隧道埋深和隧道斷面形狀及尺寸。此外，對于超淺埋的城市地鐵隧道而言，隧道斷面形狀及大小變化不大，地表沉降槽的影響范圍還與開挖支護(hù)措施及隧道圍巖土性有密切聯(lián)系。按照目前應(yīng)用最廣泛的沉降槽計(jì)算公式［12］，沉降槽寬度與隧道埋深成正比，其比例系數(shù)也稱為沉降槽寬度參數(shù)，反映了隧道圍巖土性及開挖支護(hù)措施的影響。沉降槽計(jì)算公式為

式中：i為地表沉降槽寬度；z0為隧道洞軸線埋深；K為沉降槽寬度參數(shù)。依據(jù)各監(jiān)測斷面的地表沉降曲線，可得到各斷面的沉降槽寬度；利用沉降槽計(jì)算公式進(jìn)而可得到沉降槽寬度參數(shù)。從表2可以看出，朝康區(qū)間隧道地表沉降的沉降槽寬度參數(shù)為0.435～0.467。

3.2.4 地層損失率

地層損失率為地表沉降槽的面積與隧道開挖面積之比。根據(jù)地層損失率定義，其與最大沉降位移之間的關(guān)系可表述為

式中：A為隧道開挖的面積；Smax為最大沉降位移；Vl為地層損失率。依據(jù)式（2），可計(jì)算得到地層損失率。各監(jiān)測斷面的地層損失率如表3。

根據(jù)表3可以看出，當(dāng)不考慮排水作用時(shí)，朝陽門段單線隧道（右線隧道）的地層損失率為0.765%～1.324%；雙線隧道開挖時(shí)，后開挖隧道（左線隧道）引起的地層損失率較先開挖的大，為0.916%～1.688%；雙線隧道開挖后引起的地層損失率大于單線隧道，為1.231%～2.200%。

表2 沉降槽寬度參數(shù)Tab.2 Parameters of widths of settling vessels

表3 各監(jiān)測斷面的地層損失率Tab.3 Loss ratios of stratum at different monitoring sections

4 結(jié) 語

（1）根據(jù)西安地鐵一號線朝陽門站—康復(fù)路站區(qū)間隧道地表沉降變形隨掌子面推進(jìn)的變化曲線分析，可以把隧道地表沉降分4個(gè)階段：沉降微小階段、沉降顯著發(fā)展階段、沉降緩慢階段、沉降穩(wěn)定階段。在沉降顯著發(fā)展階段，最大沉降速率可以達(dá)到1.65 mm／d。當(dāng)掌子面達(dá)到監(jiān)測斷面時(shí)，地層變形已達(dá)到穩(wěn)定變形時(shí)的40%～50%。

（2）單線隧道開挖引起的地表沉降最大值為18.9mm，地表沉降槽寬度為8.4～9.3m。雙線隧道開挖時(shí)，由于已開挖隧道對圍巖土體的擾動作用，使得后開挖隧道的地表沉降發(fā)展較大；雙線隧道的地表沉降槽寬度接近單線隧道沉降槽寬度的2倍，近似為單線隧道沉降槽寬度與雙線隧道軸線中點(diǎn)距離之和。

（3）根據(jù)地表沉降實(shí)際監(jiān)測分布曲線，飽和軟黃土隧道的沉降槽寬度參數(shù)為0.435～0.467。單線隧道開挖的地層損失率為0.765%～1.324%；雙線隧道開挖的地層損失率為1.231%～2.200%。

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