土巖組合地區(qū)淺埋暗挖隧道地表沉降監(jiān)測研究

郭峰松 王迪

摘 要：本文以青島地區(qū)某暗挖車站的工程實(shí)例為依托，通過對施工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合該地區(qū)典型的土巖組合地層條件，得出拱蓋法施工過程中左右導(dǎo)洞開挖所造成的地表沉降規(guī)律：縱向上，隨著掌子面的不斷推進(jìn)，地表沉降可分為微弱變形階段、急劇變形階段、緩慢變形階段和變形穩(wěn)定階段；橫向上，左導(dǎo)洞的先行開挖會在隧道中線左側(cè)上方形成單側(cè)地表沉降槽，待左右導(dǎo)洞完全開挖后則會在隧道中線兩邊形成雙側(cè)地表沉降槽，其影響范圍為隧道中線兩側(cè)10m左右。進(jìn)一步對引發(fā)地表沉降的各種影響因素進(jìn)行分析，提出旨在控制地表沉降的相應(yīng)技術(shù)方案，這對后續(xù)類似工程地質(zhì)條件下的地鐵施工起到良好的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：土巖組合地層；地表沉降；監(jiān)測；地表沉降槽；拱蓋法

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）19-0105-05

Monitoring and Analysis of Surface subsidence of Tunnel with Shallow

Depth Subsurface Excavation Methodin Soil-stone Assorted Area

GUO Fengsong1 WANG Di2

（1.College of Marine Geoscience ， Ocean University of China，Qingdao Shandong 266100；

2.CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.，Qingdao Shandong 266100）

Abstract： Based on the engineering example of a dark dug station in Qingdao， this paper analyzed the construction monitoring data and combined the typical soil and rock formation conditions in this area， and obtained the surface subsidence law caused by the left and right tunnel excavation in the construction process of the arch cover method. In the longitudinal direction， with the continuous advancement of tunnel face， the surface settlement could be divided into four stages， namely， weak deformation stage， rapid deformation stage， slow deformation stage and deformation stabilization stage. In the lateral direction， the first tunnel piloting of the left guide could contribute to unilateral ground settling tank above the left side of the tunnel center line. After the left and right piloting tunnels were completely excavated， a bilateral ground settling tank was formed on both sides of the tunnel center line， and the influential range was 10 meters on both sides of the tunnel center line. Then， the paper analyzed various influencing factors of ground subsidence， putting forward the corresponding technical schemes for controlling ground subsidence， which played a guiding role for the subsequent subway construction under similar engineering geological conditions.

Keywords： soil-stone assorted stratum；surface subsidence；monitoring；ground settling tank；arch cover method

1 研究背景

近年來，為緩解日趨繁重的地面交通壓力，國內(nèi)修建地鐵的城市越來越多。然而，由地鐵施工所引發(fā)的地表沉降問題也越發(fā)嚴(yán)重，如淺基礎(chǔ)建筑物的開裂與傾塌、地面管線的沉降與破壞、路面“天坑”的出現(xiàn)等。這些問題時常發(fā)生在城市淺埋暗挖隧道施工過程中。究其原因，主要在于淺埋暗挖隧道的施工會對土層形成擾動，破壞土體內(nèi)部原有受力平衡，從而導(dǎo)致地應(yīng)力重新分布。

為盡可能減少地表沉降帶來的財產(chǎn)損失和人員傷亡，國內(nèi)外專家學(xué)者對隧道暗挖引起的變形與沉降展開大量研究，并取得了豐碩的成果。美國學(xué)者Peck[1]在墨西哥國際土力學(xué)大會上首次提出地層損失率的概念及地表沉降相關(guān)計算公式，為后繼學(xué)者的研究提供理論支撐；姚宣德和王夢恕[2]通過對國內(nèi)多座城市淺埋暗挖施工所引發(fā)的地表沉降問題進(jìn)行實(shí)地調(diào)研與統(tǒng)計分析，論證了地表沉降的普遍規(guī)律及其影響范圍，并提出適用于我國的地表沉降控制值；王霆[3]等通過對多個地鐵暗挖車站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合與分析，探討了符合北京地區(qū)黏砂土互層地質(zhì)條件下地表沉降槽寬度系數(shù)和地層損失率的一般計算規(guī)律，并初步提出地表最大沉降值的預(yù)測依據(jù)；張冬冬[4]等通過數(shù)值計算和力學(xué)模型分析，探討了西安典型地層黃土隧道開挖過程中的地表沉降特征。

從現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)地表沉降的監(jiān)測和分析集中在軟土地區(qū)，土巖組合地層條件下隧道施工引起的地表沉降規(guī)律的研究較少。本文依托青島市某地鐵車站的工程實(shí)例，對青島地區(qū)的典型土巖組合地層下的地表沉降規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測分析，并提出控制沉降的相應(yīng)技術(shù)方案，以期為類似工程實(shí)踐提供參考。

2 工程概況

2.1 工程實(shí)例

青島市某地鐵車站位于兩條交通主干道的十字路口，地表車流量較大，采用地下2層島式設(shè)計，共設(shè)有4個出入口和2組風(fēng)亭，站臺寬度11m，有效站臺長度為118m。車站全長234.60m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度21.22m。車站所在位置地面起伏較大，其頂板覆土14.67～19.28m。該車站采用拱蓋法施工，附屬結(jié)構(gòu)采用明暗挖結(jié)合的方法施工。

2.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場區(qū)屬于剝蝕殘丘地貌。通過鉆探揭示，場區(qū)第四系土層主要是全新統(tǒng)素填土層（Q4ml），其厚度為0.5～6.8m。下伏基巖為中生代燕山晚期侵入巖花崗巖（γ53）、花崗斑巖（γπ53）、閃長巖（δ53）及煌斑巖（x53），揭露地層包括強(qiáng)風(fēng)化巖層、中風(fēng)化巖層、微風(fēng)化巖層，局部塊狀碎裂巖和節(jié)理密集帶[5-7]。每個風(fēng)化帶的巖石類型以花崗巖為主，夾雜有少量上述其他三類巖石。車站地下水類型則主要為基巖裂隙水，賦存于花崗巖、煌斑巖裂隙中，其富水性差且水量貧乏，對施工開挖影響不大。場區(qū)各地層剖面如圖1所示。

2.3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工

車站主體結(jié)構(gòu)的施工采用拱蓋法，由風(fēng)道（橫通道）結(jié)構(gòu)與車站主體結(jié)構(gòu)交叉口段開始施工，進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)之后，其隧道斷面各導(dǎo)洞及下部臺階的先后開挖至隧道結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)共分為6步，具體施工步驟為：①開挖左右導(dǎo)洞并施做初期支護(hù)；②開挖中部導(dǎo)洞并施做初期支護(hù)；③1、2號風(fēng)井與左右導(dǎo)洞貫通后，施做兩側(cè)拱腳梁；④待拱腳梁強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，拆除臨時支撐，再鋪設(shè)拱部防水層，施做拱部二襯；⑤開挖下斷面臺階并施做初期支護(hù)；⑥鋪設(shè)防水層，澆筑下臺階仰拱及邊墻混凝土，結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)[8-10]。

在綜合考慮了場區(qū)隧道的地形地質(zhì)條件、圍巖等級及斷面設(shè)計等因素后，本工程初期支護(hù)工藝最終確定為超前小導(dǎo)管、噴砼、格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)和錨桿等支護(hù)手段。其中，支護(hù)錨桿采用砂漿錨桿和中空注漿錨桿。

3 監(jiān)測方案及測點(diǎn)布設(shè)

3.1 監(jiān)測方案

地表沉降采用精密水準(zhǔn)測量方法。監(jiān)測時，通過測得各測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)（基點(diǎn)）的高程差，可得到各監(jiān)測點(diǎn)的高程，然后與上次測得高程進(jìn)行比較，其差值即為該測點(diǎn)的沉降值，即

[ΔH=Hn-H0] （1）

式中：[ΔH]表示監(jiān)測點(diǎn)沉降值（m）；[Hn]表示監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測高程（m）；[H0]表示監(jiān)測點(diǎn)初始高程（m）。

利用式（1）計算監(jiān)測點(diǎn)各期高程值，可以得出暗挖隧道各施工階段所產(chǎn)生的地表沉降值、沉降速率以及累計沉降值等數(shù)據(jù)。

3.2 測點(diǎn)布置

根據(jù)該車站的具體地質(zhì)和地形條件、自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及周邊風(fēng)險源等實(shí)際情況，其主體結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)布設(shè)的地表沉降監(jiān)測斷面間隔約為10m，每個斷面按現(xiàn)場情況布設(shè)8個測點(diǎn)，個別斷面的布點(diǎn)數(shù)為7個，測點(diǎn)的橫向間距為2～10m。其中，主體結(jié)構(gòu)施工掌子面正上方分布有5個監(jiān)測點(diǎn)，右導(dǎo)洞施工區(qū)域外側(cè)有2個監(jiān)測點(diǎn)，左導(dǎo)洞施工區(qū)域外側(cè)有1個監(jiān)測點(diǎn)，其局部監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)如圖2所示。

4 地表沉降監(jiān)測分析

4.1 地表沉降槽理論分析

淺埋暗挖隧道的開挖會對土體形成擾動，破壞其內(nèi)部原有的受力平衡，致使松散地層固結(jié)壓縮，導(dǎo)致地面標(biāo)高出現(xiàn)局部降低，從而形成地表沉降槽（見圖3）。本文針對該地鐵車站地表沉降的監(jiān)測分析亦是研究其地表沉降槽所表現(xiàn)出的規(guī)律性。

如圖3所示，以y軸方向研究地表沉降槽的縱向沉降規(guī)律，可將隧道掌子面開挖過程在x=0平面上的沉降變化趨勢等效為圖4所示曲線的4個沉降階段，即微弱變形階段I、急劇變形階段Ⅱ、緩慢變形階段Ⅲ及變形穩(wěn)定階段IV。其中，y軸表示掌子面與監(jiān)測斷面之間的距離L（L=x×D，-2≤n≤9，其中D為洞徑）；z軸表示地表沉降量。該曲線展示了隧道縱向地表沉降量隨著掌子面與監(jiān)測點(diǎn)不同距離時所展示的基本規(guī)律，也是本文研究地表縱向沉降的驗證性理論依據(jù)。

將圖3中x軸方向作為研究對象，則y=0平面上的沉降趨勢即為地表橫向沉降規(guī)律。本文以Peck公式作為研究橫向地表沉降的理論支撐，橫向沉降槽曲線呈正態(tài)分布，其分布經(jīng)驗公式為：

[sx=smaxexp-x22i2] （2）

其中，i為：

[i=H+R2πtan45°-?2] （3）

式中：[sx]表示距隧道中軸線x處的地表沉降值；[Smax]表示最大地表沉降值；i表示地表沉降槽寬度系數(shù)；H表示覆土厚度；R表示隧道半徑。

根據(jù)式（2）和（3），將圖3中Y=0平面上的橫向地表沉降趨勢擬合成圖5中完整的橫向沉降曲線，該曲線可以用來預(yù)測隧道施工過程中x軸方向上的地表沉降規(guī)律。

4.2 縱向地表沉降監(jiān)測分析

如圖2所示，斷面2和斷面3為間隔10m的相鄰監(jiān)測斷面，以右導(dǎo)洞開挖方向來研究兩個斷面在縱向上地表沉降的規(guī)律性。在斷面2上，選取DC09-06、DC09-07和DC09-08作為目標(biāo)測點(diǎn)，其依次位于右導(dǎo)洞掌子面正上方往右至主體結(jié)構(gòu)以外。同理，在斷面3上相同位置選擇DC10-06、DC10-07和DC10-08共3個目標(biāo)測點(diǎn)。

圖6和圖7為斷面2和斷面3所測得的右導(dǎo)洞開挖過程中地表沉降量隨時間變化的曲線。從圖6和圖7可以看出，兩個斷面沉降變化差異很小且沉降趨勢大致相同，越往外偏離右導(dǎo)洞掌子面軸線，地表的沉降幅度越小，基本符合圖3中三維沉降槽及圖4中縱向地表沉降的變化趨勢。因此，這可為隧道的后續(xù)開挖提供預(yù)見性參考，并且，未來施工過程可根據(jù)地表沉降預(yù)測曲線而選擇合適的支護(hù)方式。

從圖8可以看出，該地鐵車站縱向地表沉降規(guī)律與圖4中的沉降曲線基本吻合，同樣可劃分為4個階段：①微弱變形階段：從目標(biāo)測點(diǎn)開始監(jiān)測至掌子面距離其10m左右，這是縱向地表沉降變形的第一階段，該階段地表沉降速率相對較小，各測點(diǎn)的最大沉降值為0.3～1.5mm；②急劇變形階段：從掌子面距離監(jiān)測點(diǎn)10m左右至穿過后10m左右，這是第二階段，該階段地表沉降速率急劇增大，各測點(diǎn)的最大沉降值為1.5～4mm；③緩慢變形階段：從掌子面穿過測點(diǎn)后10m左右至20m，這是第三階段，該階段地表沉降速率有所變緩；④變形穩(wěn)定階段：掌子面下穿20m之后屬于第四階段，整體地表沉降變形趨于穩(wěn)定?？梢姡翈r組合地層條件下隧道開挖引起的地表沉降與其他地層表現(xiàn)為一致的規(guī)律性。

4.3 橫向地表沉降監(jiān)測分析

表1和表2為左導(dǎo)洞和右導(dǎo)洞開挖時斷面1的地表沉降值，圖9和圖10為導(dǎo)洞開挖時橫向地表沉降變化曲線。

從表1和圖9可以看出，由于左導(dǎo)洞的開挖先于右導(dǎo)洞，施工所造成的近似“U”型的橫向地表沉降槽主要集中在隧道中心線左側(cè)，且左導(dǎo)洞正上方是沉降值最大的地方。隨著掌子面不斷向斷面1移動，地表沉降幅度越來越大，其沉降值維為0.8～4.5mm。根據(jù)上文對縱向地表沉降規(guī)律的分析，可以判斷掌子面過監(jiān)測點(diǎn)20m后沉降會趨于穩(wěn)定。在隧道右側(cè)，由于中導(dǎo)洞和右導(dǎo)洞尚未開挖，因而產(chǎn)生的地表沉降不太明顯，且隨著監(jiān)測點(diǎn)距離左導(dǎo)洞越遠(yuǎn)，其所測得的地表沉降值越小。

由表2和圖10可知，當(dāng)右導(dǎo)洞開挖時，由于左導(dǎo)洞已開挖完畢，中導(dǎo)洞尚未開挖，二者所處的地表沉降會受到右導(dǎo)洞開挖的疊加影響，其沉降值相比單側(cè)導(dǎo)洞開挖時大。在圖10中，監(jiān)測點(diǎn)DC08-02和DC08-06由于各處在左右導(dǎo)洞的正上方，其地表沉降值是最大的，最大值分別達(dá)到了4.9mm和5.2mm。而監(jiān)測點(diǎn)DC08-01和DC08-08由于始終距離開挖導(dǎo)洞較遠(yuǎn)，其沉降值并不大?？梢?，土巖組合地層隧道開挖的地表沉降影響范圍是地表距離隧道中心線10m左右。

綜合以上分析，拱蓋法中左右導(dǎo)洞施工時會最終在橫向上產(chǎn)生雙側(cè)地表沉降槽，其沉降規(guī)律基本符合圖5中橫向地表沉降變化曲線趨勢，但影響范圍較之于其他地層有一定差別。

5 地表沉降影響因素及控制技術(shù)分析

5.1 地表沉降影響因素分析

5.1.1 管線滲漏。車站選址區(qū)域地表下不同深度上埋設(shè)有多條市政管線，包括：鑄鐵給水管5條，埋深0.8～1.5m；砼質(zhì)污水管3條，埋深0.3～2.1m；砼質(zhì)雨水管2條，埋深1.4～1.8m。上述3種地下管線會發(fā)生老化滲漏，使場區(qū)滲透系數(shù)較高的素填土層及下部風(fēng)化地層處于軟化和水飽和狀態(tài)，一旦主體隧道開挖，就會造成飽和水分流失，從而發(fā)生土體固結(jié)沉降現(xiàn)象。

5.1.2 地面車載。該地鐵車站位于兩條交通主干道的十字交叉口，其主體結(jié)構(gòu)沿其中一條道路呈東西向排布。此處屬于交通繁忙地段，地面車流量較大，且常有大中型公交車及貨車往來，這些地面行車的來回擾動給地下暗挖施工產(chǎn)生了不均勻動荷載，引起一定程度的地表沉降。

5.1.3 地下水流失。根據(jù)場區(qū)地勘報告，車站地下水類型主要為基巖裂隙水，施工過程會造成地下水因壓力差而外泄，地層的持續(xù)失水同樣將產(chǎn)生巖體內(nèi)部裂隙和節(jié)理的收縮，進(jìn)而發(fā)生地層及地表的沉降。

5.1.4 地層失穩(wěn)。車站拱頂埋深14.67～19.28m，隧道上部導(dǎo)洞的開挖過程中會遇到強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化花崗巖層，圍巖自穩(wěn)能力差，容易受到施工擾動發(fā)生巖體失穩(wěn)導(dǎo)致的地表沉降。

5.1.5 施工不當(dāng)。由于車站采用地下2層島式設(shè)計，主體結(jié)構(gòu)施工工藝為拱蓋法，每個導(dǎo)洞的開挖支護(hù)會多次擾動土體，造成地表不同程度的疊加沉降。此外，各分部掌子面的開挖步距過大、過小分別會造成初支封閉不及時和開挖跨度大，這些都會加劇地表沉降的發(fā)生。

5.1.6 爆破擾動。車站在施工過程中對圍巖進(jìn)行爆破，這會對掌子面周圍或上部的強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化巖層形成擾動，進(jìn)而造成地層失穩(wěn)并引發(fā)地表沉降。

5.2 控制技術(shù)

根據(jù)施工過程中地表沉降的監(jiān)測分析和現(xiàn)場實(shí)際情況，本文給出以下建議。

①加強(qiáng)對施工范圍內(nèi)所有滲漏管線的排查，發(fā)現(xiàn)問題及時上報處理。同時，從地下導(dǎo)洞斜上方打設(shè)Φ50mm的鋼質(zhì)注漿花管，對軟弱土體進(jìn)行密實(shí)加固。

②在地表對主體結(jié)構(gòu)施工區(qū)域的地層進(jìn)行注漿加固，增加巖土體的密實(shí)度，提高圍巖自穩(wěn)能力。

③改進(jìn)施工工藝，加快掌子面的初期支護(hù)和封閉成環(huán)，及時對初支和巖土體間空隙進(jìn)行回填注漿。此外，嚴(yán)格控制超挖，將左右導(dǎo)洞的開挖步距控制在2～3倍洞徑。

④加強(qiáng)施工監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行及時分析，一旦地表沉降值達(dá)到報警臨界值，即對地層進(jìn)行注漿加固，視效果再進(jìn)行下一步施工。

⑤合理安排爆破方案，減少裝藥量，嚴(yán)格控制爆破振速，這對減少爆破造成的圍巖擾動能起到良好的效果。

6 結(jié)論

通過對青島某地鐵車站暗挖施工所造成地表沉降的監(jiān)測分析，并結(jié)合具體工況，本文得出以下結(jié)論。

①在土巖組合地層中，強(qiáng)風(fēng)化巖層對隧道開挖不利，必要時應(yīng)做好圍巖的注漿穩(wěn)固措施，同時加強(qiáng)施工監(jiān)測，做好地表沉降的實(shí)時分析，并提出應(yīng)對措施。

②從縱向上來看，導(dǎo)洞開挖所造成的地表沉降可分為4個階段：從監(jiān)測開始至掌子面距離監(jiān)測斷面10m左右屬于微弱變形階段，該階段沉降速率較慢，最大地表沉降值為0.3～1.5mm；從掌子面距離監(jiān)測點(diǎn)10m左右至穿過后10m左右屬于急劇變形階段，該階段地表沉降速率急劇增大，最大沉降值為1.5～4mm；從掌子面穿過測點(diǎn)后10m左右至20m之間屬于緩慢變形階段，該階段變形速率變小，變形緩慢；掌子面下穿20m之后屬于變形穩(wěn)定階段，整體地表沉降變形趨于穩(wěn)定。

③從橫向上看，左導(dǎo)洞先行開挖會在隧道中心線左上方形成單側(cè)地表沉降槽，待左右導(dǎo)洞都施工至掌子面穿過監(jiān)測斷面之后，會形成分布于隧道中線兩邊的雙側(cè)地表沉降槽，地表最大沉降值均出現(xiàn)在各導(dǎo)洞的正上方，且隨著測點(diǎn)與導(dǎo)洞軸線距離的拉遠(yuǎn)而逐漸變小，整個沉降槽的影響范圍為隧道中心線左右兩側(cè)10m。

④左右導(dǎo)洞的開挖會產(chǎn)生交互影響，并對尚未開挖的中部導(dǎo)洞產(chǎn)生疊加沉降。監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，左右導(dǎo)洞的開挖步距應(yīng)控制在2.5倍洞徑左右。

參考文獻(xiàn)：

[1] Peck R B. Deep Excavations and Tunneling in Soft Ground[J]. State-of-the-art Reports， 7th ICOSMFE （Mexico），1969（3）：225-290.

[2]姚宣德，王夢恕.地鐵淺埋暗挖法施工引起的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006（10）：2030-2035.

[3]王霆，劉維寧，張成滿，等.地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降規(guī)律研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007（9）：1855-1861.

[4]張冬冬，佘芳濤，井浩.西安地鐵典型地層隧道地表沉降計算方法探討[J].城市軌道交通研究，2011（10）：71-74.

[5]張光權(quán)，杜子建，宋錦泉，等.地鐵車站拱蓋法施工沉降監(jiān)測分析及控制對策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012（S1）：3413-3420.

[6]段寶福，宋立坤，周鑫明，等.淺埋暗挖地鐵隧道地表沉降研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017（4）：25-32.

[7]鄭保才，程文斌，胡國偉.淺埋暗挖法施工近接交叉地鐵隧道地表沉降監(jiān)測分析[J].鐵道工程學(xué)報，2009（1）：72-76.

[8]王丹，張海波，王渭明，等.拱蓋法地鐵車站施工沉降規(guī)律及控制對策研究[J].隧道建設(shè)，2015（1）：33-40.

[9]孫飛，李金奎.人工素填土下淺埋暗挖橫通道CRD法施工的地表沉降監(jiān)測分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012（1）：148-151.

[10]岳向紅，楊永波，李祺，等.松軟地層淺埋暗挖公路隧道現(xiàn)場監(jiān)測分析研究[J].巖土力學(xué)，2010（S1）：337-341.