飽和軟黃土地鐵隧道施工地表沉降分析與預(yù)測(cè)

韓日美 王彥臻

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 西安 710016)

飽和軟黃土地鐵隧道施工地表沉降分析與預(yù)測(cè)

韓日美 王彥臻

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 西安 710016)

結(jié)合西安地鐵1號(hào)線朝陽(yáng)門(mén)——康復(fù)路暗挖區(qū)間飽和軟黃土地段隧道施工及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)單線、雙線隧道開(kāi)挖縱向及橫向地表沉降發(fā)展和分布規(guī)律進(jìn)行分析，運(yùn)用Peck公式建立飽和軟黃土地層地鐵隧道單線及雙線開(kāi)挖地面沉降預(yù)測(cè)模型。

地鐵;隧道;飽和軟黃土;地表沉降;Peck公式

地鐵隧道施工過(guò)程不可避免地會(huì)擾動(dòng)周?chē)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的安全。尤其是飽和軟黃土地層中的地鐵隧道施工，由于地層本身含水量大，施工降水后會(huì)產(chǎn)生大量固結(jié)沉降，引起周邊道路及建筑物開(kāi)裂，只能采取洞內(nèi)注漿或帶水作業(yè)，施工難度加大，對(duì)地表沉降的控制難度也顯著增加。因此，對(duì)飽和軟黃土地層中隧道施工引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行總結(jié)和預(yù)測(cè)，有著非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程背景

西安地鐵1號(hào)線朝陽(yáng)門(mén)站—康復(fù)路站區(qū)間左、右線隧道分別長(zhǎng)774.597 m和776.200 m，均采用暗挖法施工。隧道拱頂最大埋深約16.4 m，最小埋深約8.7 m，自地表以下分布有厚薄不均的全新統(tǒng)雜填土(0.70～1.90 m)和素填土(0.70～5.10 m)，其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土(0.50～5.50 m)、飽和軟黃土(2.50～10.30 m)、殘積古土壤(3.20～5.50 m)，再下為中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土(3.30～9.90 m)、沖積粉質(zhì)黏土(最大厚度19.4)、粉土、細(xì)砂、中砂(0.70～3.50 m)及粗砂等。隧道主要從老黃土和古土壤層穿過(guò)，拱頂以上分布有厚度達(dá)8 m左右的飽和軟黃土，地下潛水穩(wěn)定水位埋深4.30～7.50 m，整個(gè)隧道處于潛水位以下。水文地質(zhì)情況如圖1所示，各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

圖1 朝—康區(qū)間地質(zhì)剖面

朝—康區(qū)間隧道有3種斷面形式，右線隧道660～680段為 B型斷面，隧道高7 705 mm，寬7 100 mm;690～730段為A型斷面，隧道高6 550 mm，寬6 380 mm。左線隧道660～680段為C型斷面，隧道高8 605 mm，寬8 000 mm;690～715段為B型斷面，730段為A型斷面。各斷面隧道的具體支護(hù)參數(shù)如表2所示。

隧道周邊建筑物林立，沿隧道縱向主要有一直徑為φ300鑄鐵給水管和一直徑φ1 000的砼排水管，并需下穿一座人行天橋，對(duì)地表沉降要求都很高。在施工初期，沿線布置降水井，地面產(chǎn)生快速沉降，一些基礎(chǔ)比較薄弱的建筑出現(xiàn)開(kāi)裂，后經(jīng)研究停止降水，采用洞內(nèi)WSS注漿止水，降水引起的沉降才得以控制。截至目前，該區(qū)間隧道初期支護(hù)已貫通，正在施工二次襯砌，地表沉降已經(jīng)穩(wěn)定，施工期間未對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生太大影響。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 隧道支護(hù)襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)

2 地表沉降監(jiān)測(cè)方案

施工期間對(duì)朝—康區(qū)間地面和洞內(nèi)進(jìn)行了多項(xiàng)監(jiān)測(cè)，筆者選取ZDK22+660、670、680、690、715、730 共6 排地表沉降點(diǎn)作為研究對(duì)象進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 朝—康區(qū)間ZDK22+660～ZDK22+730段地表沉降測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 沿隧道縱向地表沉降發(fā)展規(guī)律

3.1.1 單線隧道

圖3所示，單線開(kāi)挖地表沉降總體分為4個(gè)階段。①沉降微小階段:L/D≤－1時(shí)，隧道掌子面距測(cè)點(diǎn)斷面距離較遠(yuǎn)，沉降發(fā)展比較緩慢;②沉降急劇階段:－1≤L/D≤3，此時(shí)掌子面距測(cè)點(diǎn)斷面距離較近，沉降發(fā)展迅速，最大沉降速率可達(dá)1.65 mm/d，占總沉降量的60% ～70%;③沉降緩慢階段:3≤L/D≤5，掌子面離開(kāi)測(cè)點(diǎn)斷面一段距離，沉降變化速率減緩;④沉降穩(wěn)定階段:L/D≥5，掌子面遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)斷面，沉降變化趨于穩(wěn)定。

3.1.2 雙線隧道

ZDK22+680斷面左洞開(kāi)挖滯后右洞15 m，相當(dāng)于2倍洞徑，雙線開(kāi)挖隧道拱頂正上方地表沉降歷時(shí)曲線如圖4所示，其總體發(fā)展趨勢(shì)也可分為4個(gè)階段:Ⅰ階段為初期沉降階段，主要由于開(kāi)挖掌子面距監(jiān)測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，掌子面開(kāi)挖微小影響變形和降水固結(jié)變形，左右洞地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降均很小;Ⅱ階段為右線開(kāi)挖沉降影響段，主要由于右線掌子面開(kāi)挖引起地層應(yīng)力釋放和降水固結(jié)變形，右洞地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為沉降劇增，左洞地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降較之右洞緩慢;Ⅲ階段為左線掌子面開(kāi)挖影響變形和降水固結(jié)變形，左洞地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降劇增，右洞地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降較之左洞緩慢;Ⅳ階段為長(zhǎng)期變形階段，主要由于主固結(jié)和次固結(jié)引起的沉降，左右洞地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降均很小。

圖4 ZDK22+680斷面雙線隧道開(kāi)挖拱頂正上方地表沉降歷時(shí)曲線

3.2 隧道橫斷面地表沉降分布規(guī)律

3.2.1 單線隧道

從圖5可以看出，單線隧道開(kāi)挖隧道橫斷面的地表沉降沿隧道中線基本呈正態(tài)分布，沉降槽單側(cè)反彎點(diǎn)寬度在9 m左右，沉降穩(wěn)定時(shí)引起的最大地表沉降變形分別為16.5 mm。

圖5 ZDK22+680斷面右線隧道地表沉降曲線

3.2.2 雙洞隧道

當(dāng)左、右線隧道開(kāi)挖引起的地表沉降變形穩(wěn)定后，用雙洞隧道引起的地表沉降值減去右線隧道穩(wěn)定后的地表沉降值，可得左線隧道開(kāi)挖引起的地表沉降值。從圖6可以看出，左線隧道開(kāi)挖引起的地表沉降值和沉降槽寬度基本與右線相同。雙線隧道開(kāi)挖引起的地表沉降值為32.6 mm，沉降槽單側(cè)及反彎點(diǎn)寬度為17.5 m，略小于單線隧道沉降槽寬度的2倍。

圖6 ZDK22+680斷面左、右線開(kāi)挖地表沉降曲線

4 地表沉降預(yù)測(cè)

4.1 預(yù)測(cè)模型的建立

目前，沉降槽計(jì)算廣泛采用O’Reilly和New在1982提出的Peck公式。Peck教授在對(duì)大量實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，提出了隧道施工地表橫斷面沉降槽數(shù)學(xué)模型，遵循正態(tài)分布曲線，如圖7所示。

圖7 Peck模型中地面沉降的橫向正態(tài)分布

相應(yīng)的Peck公式為式中，y為距隧道中心線的距離，m;s為距隧道中心線為y的地表沉降量，m;smax為隧道中心線處最大沉降量，m;i為變曲點(diǎn)距隧道中線的距離，m。

從Peck公式可以得出

4.2 單線隧道地表沉降預(yù)測(cè)

圖8 ZDK22+680斷面右洞開(kāi)挖后的地表沉降曲線

由圖8可知，線性擬合曲線斜率m=0.005 5，則反算得出沉降槽寬度參數(shù)i=9.53，實(shí)測(cè)地表最大沉降Smax=16.5 mm，單洞沉降槽公式擬合為

4.3 雙線隧道地表沉降預(yù)測(cè)

雙洞地表沉降預(yù)測(cè)模型為

圖9 ZDK22+680斷面左洞開(kāi)挖后的地表沉降曲線

圖10 ZDK22+680斷面雙洞開(kāi)挖后地表沉降曲線

式中，s左、s右分別為左、右洞開(kāi)挖產(chǎn)生的地表沉降，mm;s左max、s右max分別為左、右洞開(kāi)挖產(chǎn)生的最大沉降值，mm;i左、i右分別為左、右洞開(kāi)挖沉降槽寬度，m;y0為左、右線隧道中心距的一半，m。

其中，右洞沉降槽公式擬合為

左洞沉降槽公式擬合為

總沉降槽公式為

4.4 地表沉降預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

圖11為ZDK22+680斷面右洞、左洞及雙線隧道開(kāi)挖后沉降槽預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，可以看出預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，達(dá)到了預(yù)測(cè)精度要求。

圖11 ZDK22+680斷面沉降槽預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

1)西安地鐵1號(hào)線朝陽(yáng)門(mén)—康復(fù)路飽和軟黃土地層隧道開(kāi)挖地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，單線隧道開(kāi)挖過(guò)程中沿隧道縱向地表沉降隨掌子面推進(jìn)的發(fā)展主要經(jīng)歷4個(gè)階段:沉降微小階段、沉降急劇階段、沉降緩慢階段、沉降穩(wěn)定階段。在－1≤L/D≤3沉降急劇階段，最大沉降速率可達(dá)1.65 mm/d，占總沉降量60% ～70%，是沉降控制的重點(diǎn)。雙線開(kāi)挖后地表沉降為左、右洞開(kāi)挖地表沉降的疊加。

2)朝陽(yáng)門(mén)—康復(fù)路區(qū)間隧道開(kāi)挖地表沉降監(jiān)測(cè)的結(jié)果表明，單線隧道開(kāi)挖隧道橫斷面地表沉降沿隧道中線基本呈正態(tài)分布，最大地表沉降變形為16.5 mm，先開(kāi)挖隧道引起的地表沉降槽單側(cè)反彎點(diǎn)，寬度為9 m。后開(kāi)挖隧道地表沉降值和沉降槽寬度與先開(kāi)挖隧道基本相同。雙線隧道開(kāi)挖引起的地表沉降值為32.6 mm，沉降槽單側(cè)反彎點(diǎn)，寬度為17.5 m，略小于單線隧道沉降槽寬度的兩倍。

3)在對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，采用Peck公式對(duì)單線隧道和雙線隧道開(kāi)挖后引起的地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法可行，精度較高，對(duì)類(lèi)似工程有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

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Analysis and Prediction for Ground Subsidence of Subway Tunnel Built in Saturated Soft Loess

Han RimeiWang Yanzhen
(Xi’an Metro Co.，Ltd.，Xi’an，710016)

Abstract:Based on the construction and on-site monitoring of Chaoyangmen—Kangfulu tunnel of Xi’an Subway Line 1 built in saturated soft loess，the paper analyzes the vertical and horizontal development and distribution of ground surface settlements due to the excavation of single-and double-track tunnels，and by using Peck formula the paper establishes a surface subsidence prediction model for single-and doubletrack subway tunnels excavated in saturated soft loess.

Key words:subway;tunnel;saturated soft loess;surface settlement;Peck formula

U231.3

A

1672-6073(2012)02-0074-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.019

收稿日期:2011-02-12

2011-06-17

作者簡(jiǎn)介:韓日美，男，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榈罔F土建工程施工及管理，hanrimei2005@126.com

(編輯:郝京紅)