武漢地鐵羅園區(qū)間隧道施工地表沉降監(jiān)測(cè)與分析

葉 紅 陳燕平

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院交通工程系，湖北武漢 430065;2.武漢交通職業(yè)學(xué)院藝術(shù)系，湖北武漢 430065)

地鐵隧道工程的建設(shè)過(guò)程，給人們的生活帶來(lái)一定的安全隱患，一般會(huì)引起地表、建筑物的沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成塌陷。例如，2007年3月28日北京地鐵10號(hào)線工程發(fā)生塌方[1]，2008年1月17日，廣州地鐵5號(hào)線施工中突然涌水，發(fā)生塌方，導(dǎo)致珠江大橋引橋下的雙橋路旁地面突然下陷[2]，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，為了精確的預(yù)測(cè)出由于地鐵隧道開(kāi)挖引起的地表沉降值、沉降影響范圍，很有必要通過(guò)工程實(shí)例來(lái)對(duì)城市地鐵隧道施工所引起的地表沉降進(jìn)行研究。

1 工程概況

武漢市軌道交通羅園區(qū)間隧道采用單圓盾構(gòu)法施工，隧道直徑為6 m，埋深約9.492 m～16.2 m。該區(qū)間隧道建場(chǎng)地地形平坦，坡降較緩，地表絕對(duì)高程一般在20.09 m～22.93 m之間，地貌為堆積平原區(qū)，屬長(zhǎng)江沖積Ⅰ級(jí)階地。場(chǎng)地分布地層為:雜填土，厚度0.4 m ～2.2 m;素填土，厚度 0.4 m ～ 2.8 m;粉質(zhì)粘土，厚0.8 m ～4.6 m;粉質(zhì)粘土，厚 1.0 m ～5.3 m;粉質(zhì)粘土夾粉土、粉砂，厚1.1 m ～6.8 m;粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層，厚1.3 m ～6.5 m;粉細(xì)砂，厚 4.7 m ～12.5 m;粉質(zhì)粘土，厚 0.5 m ～5.8 m;細(xì)砂，厚11.0 m ～17.5 m;中粗砂夾礫卵石，厚 0.5 m ～2.5 m;強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，厚1.5 m～9.6 m;中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，最大揭露厚度19.1 m;強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，厚6.1 m ～9.0 m;中風(fēng)化砂礫巖，厚2.0 m ～6.0 m。羅園區(qū)間隧道上層滯水水位埋深一般為1.4 m～3.8 m，穩(wěn)定水位埋深為1.1 m～3.3 m;承壓水測(cè)壓水頭標(biāo)高一般為18.5 m～20.0 m左右，承壓水頭標(biāo)高年變化幅度在3.0 m～4.0 m之間。

2 地表沉降監(jiān)測(cè)方法

為了確保羅家港站至園林路站區(qū)間隧道在開(kāi)挖過(guò)程中的施工安全，在隧道上方的地表布置了地表沉降點(diǎn)，如圖1所示;通過(guò)觀察地表沉降了解隧道施工對(duì)周邊環(huán)境的影響情況以及對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。地表沉降點(diǎn)在埋設(shè)工程中，直接將道釘打入設(shè)計(jì)位置處的地表，如圖2所示。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，采用精密水準(zhǔn)儀，按國(guó)家二等水準(zhǔn)要求觀測(cè)，以此確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 計(jì)算方法

對(duì)于地鐵施工引起的地表沉降的計(jì)算方法一般是經(jīng)驗(yàn)法，這種方法在巖土工程勘察和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)地鐵隧道埋深、隧道上方巖土體的力學(xué)性質(zhì)、施工方法及水位條件等，利用理論分析[3]和經(jīng)驗(yàn)公式[4]計(jì)算地表沉降值和地表沉降范圍。柳厚祥[5]給出了經(jīng)驗(yàn)公式:

其中，H為隧道埋深;D為隧道直徑;K為地表沉降寬度系數(shù)，一般取0.4～0.55;c為隧道上方覆土的凝聚力;φ為隧道上方覆土的內(nèi)摩擦角。

圖1 地表沉降點(diǎn)分布圖（單位：m）

圖2 地表沉降點(diǎn)埋設(shè)示意圖

4 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的數(shù)據(jù)比較

考慮到實(shí)際施工情況，隧道直徑為6 m，羅園區(qū)間某段隧道上方覆土層厚度平均為12 m，該段覆土層主要以砂土為主。通過(guò)地質(zhì)勘察報(bào)告得到該段上方覆土層凝聚力的平均值和內(nèi)摩擦角的平均值，分別為:c=17.8 kPa，φ =33°;在式(2)中，K=0.45，γ =20 kN/m3。

對(duì)該區(qū)間隧道開(kāi)挖引起的地表沉降的計(jì)算采用柳厚祥的經(jīng)驗(yàn)公式得到地表沉降計(jì)算值，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，以此來(lái)研究隧道施工對(duì)地表沉降的影響。其中掌子面后方8 m實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為監(jiān)測(cè)2個(gè)月的數(shù)據(jù)采集，掌子面處實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為監(jiān)測(cè)15 d的數(shù)據(jù)采集，掌子面前方4 m實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為監(jiān)測(cè)15 d的數(shù)據(jù)采集。

圖3表示隧道距離掌子面8 m處已開(kāi)挖隧道的地表沉降分布圖，圖4表示掌子面處地表沉降分布圖，圖5表示掌子面前方4 m處未開(kāi)挖斷面的地表沉降分布圖。由圖3～圖5可以看出，位于隧道中軸線處的地表沉降值最大，且離隧道中軸線距離越遠(yuǎn)地表沉降值越小，隧道開(kāi)挖后掌子面前后的地表沉降值相差比較大。

另外由圖3～圖5也可以看出按柳厚祥給出的經(jīng)驗(yàn)公式得到的地表沉降曲線分布圖與實(shí)測(cè)值得到的結(jié)果非常接近，但是它們之間還存在一定的差異，這主要是因?yàn)楦餐翆拥母采w層地質(zhì)分布不均造成的，另外，監(jiān)測(cè)的時(shí)間過(guò)短及監(jiān)測(cè)存在的誤差也造成了一定的影響。

圖3 隧道掌子面后方8 m處地表沉降值比較示意圖

圖4 隧道掌子面處地表沉降值比較示意圖

圖5 隧道掌子面前方4 m處地表沉降值比較示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

在本文中，對(duì)羅園區(qū)間隧道某段開(kāi)挖引起的地表沉降分別進(jìn)行了理論分析和實(shí)測(cè)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)計(jì)算值較實(shí)測(cè)值大，存在一定的差值，但是差值不是非常大，且地表沉降計(jì)算分布曲線和實(shí)測(cè)分布曲線的變化規(guī)律是一樣的，說(shuō)明地表沉降計(jì)算值可以為地鐵隧道開(kāi)挖施工給予一定的指導(dǎo)。

[1] 王云崗，熊 凱，凌道盛.基于平動(dòng)加轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定上限分析[J].巖土力學(xué)，2010，31(8):2619-2624.

[2] 周純杰，黃雄峰，秦元慶，等.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)施工隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32(7):2501-2504.

[3] 莫 云.武漢地鐵施工引起地面沉降預(yù)測(cè)方法研究——以武漢地鐵廣埠屯至名都站區(qū)間為例[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[4] 吳建儒.潛盾隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定與周圍土壓力之離心模擬[D].北京:國(guó)立中央大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2001.

[5] 柳厚祥.地鐵盾構(gòu)施工誘發(fā)地層移動(dòng)機(jī)理研究與控制研究[D].西安:西安理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.