礦山法施工地鐵隧道地表沉降分步控制研究

李世良 馬曉東

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050)

1 概述

礦山法[1，2]因借鑒礦山開(kāi)拓巷道的方法而得名。按襯砌施工順序，可分為先拱后墻法及先墻后拱法兩大類。其開(kāi)挖過(guò)程分為：爆破、清渣、支護(hù)，并依此步序循環(huán)施作，監(jiān)測(cè)應(yīng)貫穿于隧道開(kāi)挖的整個(gè)過(guò)程[3-5]。

隧道施工必然會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致地表沉降。地表沉降量作為反映隧道施工安全的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在通常情況下，其控制值為30 mm，是一個(gè)貫穿整個(gè)施工過(guò)程的總量值，一般不做分段考慮。在采用礦山法施工的隧道工程中，誘發(fā)地表沉降的因素主要有[2-6]：施工擾動(dòng)、回填土自密實(shí)過(guò)程、取土后支護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致隧道頂部受力不平衡、爆破震動(dòng)、地表動(dòng)載影響等。以上各因素在隧道開(kāi)挖的不同階段所引發(fā)的地表沉降量也不盡相同[4-7]。

前期盲目施工、支護(hù)不及時(shí)或者其他因素，易造成地表沉降量累計(jì)值過(guò)大。由此所產(chǎn)生的危害主要分為兩個(gè)部分[8，9]：①盡管地表沉降偏大，但沒(méi)有超控制值(此時(shí)不能進(jìn)行預(yù)警)，這種情況下，無(wú)法對(duì)施工方進(jìn)行約束，增大了開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)。②前期地表沉降過(guò)大，在隨后的開(kāi)挖施工過(guò)程中，造成地表沉降總控制值超限，引發(fā)監(jiān)測(cè)紅色預(yù)警，導(dǎo)致停工等嚴(yán)重后果。

為了避免這一現(xiàn)象發(fā)生，通過(guò)對(duì)某地鐵隧道地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，獲取礦山法暗挖隧道施工過(guò)程中各階段的地表沉降量及其規(guī)律。研究表明，分步控制地表沉降量的方式有效、可行。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為直觀反映暗挖法隧道施工過(guò)程中，不同施工階段所引發(fā)的地表沉降量的情況，以某地采用礦山法進(jìn)行地鐵隧道施工的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。某地鐵隧道所處區(qū)域土質(zhì)為軟土及回填土，隧道中線上方區(qū)域?yàn)槌鞘薪紖^(qū)主干道，重載車輛較多。隧道采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖[10-12]。地表沉降監(jiān)測(cè)在距離開(kāi)挖工作面前3倍洞徑處開(kāi)始進(jìn)行，地表沉降控制值為30 mm。

圖1 DB104-1沉降量趨勢(shì)

圖2 DB104-3沉降量趨勢(shì)

圖1、圖2所示的曲線為布設(shè)于該隧道左右線中線上方地表沉降點(diǎn)DB104-1、DB104-3所對(duì)應(yīng)的累計(jì)沉降曲線。由圖1、圖2可知，在開(kāi)挖階段，兩點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都達(dá)到了預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是進(jìn)行上下臺(tái)階法施作時(shí)，存在一次進(jìn)尺過(guò)長(zhǎng)、支護(hù)不及時(shí)等情況，進(jìn)而造成沉降速率過(guò)大，累計(jì)沉降超限，地表出現(xiàn)裂縫，引發(fā)紅色預(yù)警導(dǎo)致停工。

從以上分析可知，地表沉降累計(jì)值有明顯的分段現(xiàn)象存在。其中第一階段(1～41 d)沉降變形較平緩，地表累計(jì)沉降量約為6 mm；第二階段(41～49 d)變形較快，地表累計(jì)沉降量達(dá)到17 mm；第三階段(49～51 d)變形較小，地表累計(jì)沉降幾乎為0；第四階段(51～58 d)變形較快，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB104-1的累計(jì)沉降量約為30 mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB104-3的累計(jì)沉降量約為25 mm；第五階段變形逐漸趨于穩(wěn)定。

3 地表沉降分步控制

對(duì)圖1、圖2中曲線變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，兩沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線所呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)與隧道施工進(jìn)度相符合。

(1)第一階段對(duì)應(yīng)開(kāi)挖工作面前3倍洞徑處的沉降情況，誘發(fā)本階段地表沉降的主要原因是回填土自密實(shí)、地表重載車輛碾壓，次要原因是施工擾動(dòng)。隨著工作面的前移，沉降速率受施工擾動(dòng)的影響越來(lái)越大。整體上看，本階段的變形量貢獻(xiàn)率為17%。

(2)第二階段對(duì)應(yīng)開(kāi)挖工作面處于監(jiān)測(cè)點(diǎn)正下方(上臺(tái)階開(kāi)挖處的沉降情況)，沉降的主要原因是施工擾動(dòng)、取土后支護(hù)不及時(shí)，導(dǎo)致隧道頂部受力不平衡；次要原因是回填土自密實(shí)及地表重載車輛碾壓，本階段沉降貢獻(xiàn)率為34%。

(3)第三階段對(duì)應(yīng)支護(hù)完成后的沉降情況，本階段隧道受力基本達(dá)到平衡，沉降速率減緩，沉降幾乎為0。

(4)第四階段對(duì)應(yīng)下臺(tái)階施作時(shí)的沉降情況，沉降原因與第二階段相同，其變形貢獻(xiàn)率為31%。

(5)第五階段對(duì)應(yīng)初期支護(hù)成環(huán)后的沉降情況，本階段隧道整體受力平衡，且工作面逐步向前推進(jìn)(已遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn))，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定。

綜合以上分析可知，第二、第四階段貢獻(xiàn)了65%的變形值，應(yīng)主要針對(duì)這兩個(gè)階段采取控制措施。

首先根據(jù)貢獻(xiàn)率確定施工各階段的允許變形值。其次，施工時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將累計(jì)沉降值與各階段允許變形值進(jìn)行比較，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，指導(dǎo)各階段施工。施工方可根據(jù)各階段控制值與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，調(diào)整進(jìn)尺長(zhǎng)度并及時(shí)支護(hù)，以減少施工擾動(dòng)。

圖3為經(jīng)過(guò)分階段控制后，某斷面地表沉降監(jiān)測(cè)累計(jì)值時(shí)態(tài)曲線。從圖3可知，地表沉降累計(jì)值得到了有效控制，沒(méi)有超出30 mm的控制值。

圖3 分階段控制后某斷面累計(jì)沉降曲線

4 結(jié)論

(1)利用某地礦山法施工地鐵隧道地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析各施工階段對(duì)應(yīng)的地表累計(jì)沉降量相對(duì)總體沉降量的貢獻(xiàn)率，其中上臺(tái)階開(kāi)挖、下臺(tái)階開(kāi)挖階段所占比重分別為34%和31%。因此，在施工過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)施工階段的地表沉降變化情況。

(2)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，提出了地表沉降分步控制法。該方法可有效指導(dǎo)施工掘進(jìn)，既能確保安全施工，又可以避免或減少由于監(jiān)測(cè)預(yù)警帶來(lái)的停工，從而避免工程延期，減少工程成本。對(duì)其他類似采用礦山法施工的隧道具有借鑒意義。

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