淺埋暗挖地鐵隧道施工地表沉降規(guī)律分析

李金奎，王飛飛，白會(huì)人

(大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化步伐的加快，我國(guó)的地鐵建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期.在地鐵隧道施工過(guò)程中不可避免地?cái)_動(dòng)隧道周?chē)牡貙樱a(chǎn)生地表沉降，嚴(yán)重時(shí)將影響到周邊建筑物和地下管線(xiàn)的安全[1-3].國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了許多地鐵隧道施工引起地表沉降變形方面的研究[4-5]，對(duì)指導(dǎo)工程建設(shè)具有重要的理論與實(shí)際意義.由于大連地鐵202標(biāo)段促春區(qū)間是在人工素填土層中的地鐵隧道施工，地層含水量大，地層軟弱，底下管線(xiàn)密布，因此，對(duì)人工素填土地層中隧道施工引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行總結(jié)研究，有著非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.

1 工程背景

大連地鐵202標(biāo)段促進(jìn)路站至春光街站區(qū)間設(shè)計(jì)范圍為里程DK11+365.945～DK12+013.350，區(qū)間地貌為剝蝕低丘陵、沖洪積溝谷，地形起伏較大，整體上看中央高，兩側(cè)低，地面高程7.69～22.78 m.沿線(xiàn)穿越街道、工廠(chǎng)、居民住宅區(qū)，建筑物密集，管線(xiàn)、管道眾多.本文以暗挖區(qū)間為主要研究對(duì)象，右線(xiàn)先于左線(xiàn)開(kāi)挖.左、右線(xiàn)隧道長(zhǎng)分別為732.127 m和734.273 m.隧道主體橫斷面為單拱圓形斷面，斷面尺寸為6.3×6.5 m.隧道范圍內(nèi)上覆第四系人工堆積層(人工堆積素填土、雜填土層)，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(卵石層)，第四系上更新統(tǒng)坡洪積層(粉質(zhì)粘土)，下伏震旦系五行山群長(zhǎng)嶺子組強(qiáng)(全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖).隧道斷面范圍上方自上而下分別為：素填土(0.50～11.00 m)和雜填土層(1.40～8.50 m), 卵石層(0.70～13.30 m)，粉質(zhì)粘土(1.10～11.00 m)，全風(fēng)化巖(2.20～29.60 m).采用新奧法臺(tái)階法施工，上、中、下三個(gè)臺(tái)階依次進(jìn)行施工，每次進(jìn)尺1 m.暗挖結(jié)構(gòu)超前支護(hù)采用超前小導(dǎo)管注漿對(duì)地層進(jìn)行預(yù)注漿加固.施工后，及時(shí)進(jìn)行隧道初期支護(hù)，支護(hù)方式采用立鋼拱架和掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土方法，初期支護(hù)貫通后即采用二次襯砌.

2 地表沉降監(jiān)測(cè)方案

在隧道地表上方每隔30 m布置一個(gè)觀(guān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布置12個(gè)點(diǎn)，沿著隧道軸線(xiàn)垂直方向地表均勻布置，間距為1.5 m，采用萊卡DNA03電子水準(zhǔn)儀按照二級(jí)水準(zhǔn)要求進(jìn)行地表沉降觀(guān)測(cè)，自從2011年11月1日到2012月1月31日，共計(jì)90天的觀(guān)測(cè)，為了便于分析，選取DB03、DB04、DB05個(gè)斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 右線(xiàn)隧道開(kāi)挖沿著隧道方向地表沉降分析

為了便于分析總結(jié)規(guī)律，以監(jiān)測(cè)斷面為基準(zhǔn)，當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面后，掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的距離為正值；當(dāng)掌子面未通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，掌子面與監(jiān)測(cè)斷面的距離為負(fù)值.設(shè)掌子面與監(jiān)測(cè)斷面間的距離為L(zhǎng)，隧道拱徑為D，即為拱跨，定義L/D比值為距跨比β，即

β=L/D

(1)

斷面間距為30 m，隧道拱跨距離為6.3 m，得出距跨比β的取值范圍為-4.8<β<4.8.

2011年11月1日建立測(cè)站DB03、DB04、DB05，隨著隧道開(kāi)挖掌子面逐漸逼近、達(dá)到、通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面，地表沉降逐漸發(fā)展直至穩(wěn)定；此后左線(xiàn)開(kāi)挖，歷時(shí)90天于2012年1月31日通過(guò)DB05監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的地表最終穩(wěn)定.其曲線(xiàn)如圖1所示，當(dāng)-4<β<-2時(shí)，各觀(guān)測(cè)斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)明顯沉降，DB03最大沉降點(diǎn)位于右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方測(cè)點(diǎn)DB0304，量為4.67 mm，約占總沉降量的16.6%，DB04最大沉降點(diǎn)位于右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方測(cè)點(diǎn)DB0404，量為3.43 mm，約占總沉降量的10.8%，DB05最大沉降點(diǎn)位于右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方測(cè)點(diǎn)DB0504，量為4.04 mm，約占總沉降量的15.7%；當(dāng)-2<β<2時(shí)，各觀(guān)測(cè)斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)急劇沉降，DB03最大沉降點(diǎn)位于右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方測(cè)點(diǎn)DB0304，量為19.36 mm，沉降速率可達(dá)0.89 mm/d，占總沉降量的67.5%；DB04最大沉降點(diǎn)位于右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方測(cè)點(diǎn)DB0404，量為24.24 mm，沉降速率可達(dá)0.84 mm/d，占總沉降量的76.2%；DB05最大沉降點(diǎn)位于右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方測(cè)點(diǎn)DB0504，量為19.92 mm，沉降速率可達(dá)0.93 mm/d，占總沉降量的77.6%；當(dāng)2<β<4時(shí)，各觀(guān)測(cè)斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化速率開(kāi)始減緩趨于穩(wěn)定.

圖1 右線(xiàn)隧道斷面地表沉降隨掌子面推進(jìn)變化Fig.1 Changes of the ground surface settlement above right tunnel vault with the excavation face注： DB03 DB04 DB05

3.2 右線(xiàn)隧道開(kāi)挖垂直于隧道方向地表沉降分析

大連地鐵202標(biāo)段促春暗挖區(qū)間在掌子面前方50 m布置監(jiān)測(cè)斷面，右線(xiàn)區(qū)間先開(kāi)挖，左線(xiàn)滯后，根據(jù)右線(xiàn)隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果確定左線(xiàn)隧道開(kāi)挖的時(shí)間.在右線(xiàn)區(qū)間單獨(dú)開(kāi)挖期間選擇DB03、DB04和DB05等3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行地表沉降分析，沉降曲線(xiàn)分布如圖2所示，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的最大沉降點(diǎn)在隧道中心線(xiàn)上方.由圖2可知，DB03、DB04和DB05等右側(cè)有建筑物群，故不能完全布置地表沉降點(diǎn)，該3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的地表沉降隧道中線(xiàn)基本呈半正態(tài)分布，變化趨勢(shì)基本相同.

圖2 右線(xiàn)隧道各斷面地表沉降分布曲線(xiàn)Fig.2 Distribution curves of ground settlement at the different monitoring Sections of the right tunnel注： DB03 DB04 DB05

3.3 雙線(xiàn)隧道開(kāi)挖引起地表沉降的變形分析

當(dāng)右線(xiàn)隧道開(kāi)挖引起地表沉降趨于穩(wěn)定時(shí)，各斷面最大沉降曲線(xiàn)見(jiàn)圖3所示，DB03斷面右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方最大沉降量為28.87 mm，DB04斷面右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方最大沉降量為31.82 mm，DB05斷面右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方最大沉降量為25.66 mm.左線(xiàn)隧道開(kāi)始開(kāi)挖后對(duì)已經(jīng)穩(wěn)定的隧道圍巖產(chǎn)生新的擾動(dòng)，但其影響程度與距離有關(guān)，距離越近，影響約為劇烈.當(dāng)左線(xiàn)隧道掌子面通過(guò)各斷面時(shí)最終沉降曲線(xiàn)如圖3所示.DB03斷面雙線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方最大沉降量為57.34 mm，約為右線(xiàn)隧道開(kāi)挖最大沉降量的1.99倍；隧道DB04斷面隧道中心線(xiàn)正上方最大沉降量為64.86 mm，約為右線(xiàn)隧道開(kāi)挖最大沉降量的2.04倍；DB05斷面隧道中心線(xiàn)正上方最大沉降量為51.76 mm，約為右線(xiàn)隧道開(kāi)挖最大沉降量的2.02倍.由此可見(jiàn)，雙線(xiàn)隧道開(kāi)挖較單線(xiàn)隧道開(kāi)挖引起的地表沉降不僅位置發(fā)生了改變，而且最大沉降量也發(fā)生較大的改變，約為單線(xiàn)隧道開(kāi)挖的1.99～2.04倍.

圖3 單線(xiàn)及雙線(xiàn)開(kāi)挖各斷面測(cè)點(diǎn)沉降曲線(xiàn)Fig.3 Curves of settlement at different section points of Single line and double line tunnel excavation注： 右線(xiàn)隧道開(kāi)挖； 總沉降值

4 地表沉降驗(yàn)證

運(yùn)用文克爾模型對(duì)右線(xiàn)區(qū)間隧道開(kāi)挖地表沉降進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證.文克爾模型假設(shè)地基表面任意一點(diǎn)的壓力p與該點(diǎn)的位移ω成正比，如式(2)所示.

(2)

得出文克爾計(jì)算模型預(yù)測(cè)方程：

(3)

由式(3)計(jì)算的文克爾模型沉降數(shù)據(jù)如表1所列.由圖4對(duì)比可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)和文克爾計(jì)算模型曲線(xiàn)和沉降趨勢(shì)吻合，文克爾計(jì)算數(shù)值較實(shí)際觀(guān)測(cè)值偏小，僅應(yīng)用文克爾地表沉降預(yù)測(cè)模型能夠得出地表沉降的趨勢(shì)，不能準(zhǔn)確得出最大沉降量.這是由于在實(shí)際工程中隧道上方的土層為人工素填土且有少量的建筑垃圾，理論假設(shè)有了一定的差距；同時(shí)在理論計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮到流-固耦合條件下土-結(jié)構(gòu)的變形是否符合線(xiàn)彈性性質(zhì).由圖4對(duì)比可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)和文克爾計(jì)算模型曲線(xiàn)和沉降趨勢(shì)吻合，文克爾計(jì)算數(shù)值較實(shí)際觀(guān)測(cè)值偏小，僅應(yīng)用文克爾地表沉降預(yù)測(cè)模型能夠得出地表沉降的趨勢(shì)，不能準(zhǔn)確得出最大沉降量.這是由于在實(shí)際工程中隧道上方的土層為人工素填土且有少量的建筑垃圾，理論假設(shè)有了一定的差距；同時(shí)在理論計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮到流-固耦合條件下土-結(jié)構(gòu)的變形不符合線(xiàn)彈性性質(zhì).

表1 文克爾模型沉降數(shù)據(jù)與04斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Winkler model settlement data and 04 section measured data

圖4 促春區(qū)間隧道地表沉降現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與文克爾模型計(jì)算曲線(xiàn)對(duì)比Fig.4 The field measured and winkler model calculation curve contrast注： 文克爾模型預(yù)測(cè)值/mm 04斷面實(shí)際沉降值/mm

5 結(jié) 語(yǔ)

a. 大連地鐵202標(biāo)段促春暗挖區(qū)間地表沉降數(shù)據(jù)分析過(guò)程中引進(jìn)距跨比β，便于沿著隧道掘進(jìn)方向地表沉降分析.地表沉降最大位置處于隧道中心線(xiàn)的正上方，沉降量約為25.66～31.82 mm.

隨著掌子面推進(jìn)，沿隧道縱向地表沉降分為3個(gè)階段-4<β<-2地表沉降加速階段，約占整體變形的10.8%～16.6%；-2<β<2地表沉降劇烈階段，約占整體變形的67.5%～77.6%，沉降速率約達(dá)0.84～0.93 mm/d；2<β<4，地表沉降減速階段，沉降變化趨于穩(wěn)定.監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，人工素填土地段地鐵暗挖隧道施工在-2<β<2階段，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，建議增加現(xiàn)場(chǎng)巡視.

b. 右線(xiàn)隧道開(kāi)挖垂直于隧道中線(xiàn)地表沉降曲線(xiàn)基本呈半正態(tài)分布，最大沉降點(diǎn)發(fā)生在右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方.文克爾沉降模型的計(jì)算曲線(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)趨勢(shì)相同，數(shù)值偏小，主要是由于文克爾預(yù)測(cè)模型假設(shè)所致，但也可作為人工素填土地段地鐵暗挖隧道施工地表沉降的預(yù)測(cè)手段.

c. 左線(xiàn)隧道開(kāi)挖造成了已經(jīng)穩(wěn)定的右線(xiàn)隧道圍巖的二次擾動(dòng).左線(xiàn)隧道的開(kāi)挖不僅改變了地表最大沉降位置，由右線(xiàn)隧道中心線(xiàn)正上方改變到雙線(xiàn)隧道中線(xiàn)正上方，而且最大沉降量也發(fā)生了改變，雙線(xiàn)隧道開(kāi)挖最大沉降量約為單線(xiàn)隧道開(kāi)挖的1.99～2.04倍.

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