兰州地铁黄土隧道开挖引起的地表沉降分析

孟晓龙

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

兰州地铁黄土隧道开挖引起的地表沉降分析

孟晓龙

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

依托兰州地铁一号线的开挖过程，对地表沉降的观测数据进行分析对比，研究了兰州地区城市浅埋暗挖隧道开挖引起的地表沉降规律。结果表明，隧道地表沉降分为微沉降阶段、快速沉降阶段、沉降缓慢阶段和沉降稳定阶段。在沉降显著发展阶段沉降量达到总沉降量的60%，隧道开挖引起的最大地表沉降为28.7mm。通过对隧道开挖过程的数值模拟验证了地表沉降的四个变化阶段，同时发现了在开挖过程中沉降槽会逐渐变大并且存在漂移现象。

黄土隧道；兰州地铁；沉降监测；地表沉降；沉降槽

1 引言

城市地铁隧道的开挖会不可避免地引起地表沉降，这将给地表行车、地下市政管线以及周边建筑带来一系列的安全问题及隐患。兰州地区黄土底层由于其具有的不同于其它地区的特殊工程地质性质(黄土的湿陷性和震陷性)，使得兰州地区的地铁隧道建设面临着不同于沿海软土地区的地铁修建过程中的特殊工程问题。不同的支护参数、支护类型以及不同的开挖工序都将对岩体产生不同的扰动，从而产生不同的地表沉降量，本文结合兰州地铁的工程实际过程中既有支护及开挖方式下的地铁隧道的地表沉降量，分析了引起地表沉降的特征变化，同时利用ANSYS软件建立与实际施工条件相类似的隧道开挖模型，研究分析在既有开挖工法下地表位移变化特征。

兰州地铁一号线陈官营至焦家湾段双洞单线隧道均采用上下台阶法暗挖施工。隧道的最大埋深约9.7m，最小埋深约8.4m，自地表以下分布有厚薄不均的全新统杂填土(0.6～2.1m)，其以下为黄土状土(11.2～15.1m)，再往下是粉细砂(0.2～1.5m)和卵石层(4.1～5.6m)，地下水位埋深稳定在10.9～12.7m，相应地下水位高程1519.50～1521.72m。

2 沉降监测

兰州地铁一号线陈官营至焦家湾段区间隧道走向与地表道路方向相平行，隧道施工造成的地表以及周边沉降对地表行车和道路两旁建筑物带来安全上的影响。根据施工方提供的施工期间对隧道洞内洞外进行了多项检测数据，笔者取由西向东方向的右侧隧道YDK33+470至YDK33+550 段上的五排隧道地表沉降监测点的数据作为研究依据，五排监测点相邻间距为20米，施工图中监测点布设情况如图1所示。

图1 所选区间隧道地表沉降监测点分布

隧道开挖过程中，掌子面与监测面之间的距离越近，监测断面的地表沉降值越大。在掌子面通过监测断面之后，由于掌子面的支撑作用和约束作用得以解除，地面沉降将继续发展。

以监测断面所在位置为基准，当掌子面未超过监测断面时，取掌子面到监测断面的距离L与隧道宽度D的比值L/D为负值，当掌子面已超过监测断面时，取检测面到监掌子面的距离L与隧道宽度D的比值L/D为正值。以监测断面的地表沉降量为纵坐标，以L/D为横坐标，可得到监测断面地表沉降量随掌子面变化的曲线。选择YDK33+470、YDK33+490和YDK33+510三个监测断面进行数据分析，则在隧道开挖过程中地表沉降量随掌子面位置的变化情况如图2～图4所示。

根据对YDK32+165、YDK32+185和YDK32+205断面的地表沉降变化曲线，可以将隧道地表沉降划分为4个变形阶段。即微沉降阶段：L/D≤-1，即掌子面距离监测断面在1倍洞径以上时，所监测断面的地表沉降较小且变化缓慢；快速沉降阶段：-1≤L/D≤3，即在掌子面在监测断面前后比较近时，可以观测到地表发生显著沉降，发展速度较快，最大沉降速率达到180 mm/d，沉降量达到总沉降量的60%左右；缓慢沉降阶段：3≤L/D≤5，即掌子面已经超过并距离监测断面较远时，此时监测断面处已完成了隧道的初期支护，并且岩体与隧道支护结构之间的相互作用及变形已经接近尾声，掌子面对监测断面的影响越来越小，地表沉降速率逐渐变缓；沉降变形稳定阶段：L/D≥5，即掌子面已经远离监测断面，沉降变化已经趋于稳定。

图2 YDK32+165断面地表沉降的变化

图3 YDK32+185处地表沉降的变化

图4 YDK32+205断面地表沉降的变化

3 隧道开挖的数值模拟

隧道的形状根据兰州地铁一号线十五工区隧道设计图纸的实际形状来考虑。采用矿山法全断面开挖。隧道的初衬设定为25cm，在模拟过程中采用实体单元，以此来来加快计算速度。

考虑到隧道周边建筑物，因此设定模型整体土块尺寸为71m×56m×30m(横向×纵向×竖向)，在地表以下18.7m分为上层为黄土层和下层为卵石层；隧道断面采用现场实际断面，埋深13m；隧道与建筑的地面最近距离为10m，建筑物设定为2跨×4跨×5层的结构，沿隧道纵向4跨，每跨4m，沿横向两跨，每跨3m，层高3m。约束条件为：土体的前后左右四个面设水平x、y方向约束，地面设x、y、z三个方向约束，上表面自由。建筑物选用梁单元和板单元来建立，材料选择为钢筋混凝土，其纵向与隧道方向平行。如图5所示。

图5 隧道开挖模型的三维视图

模型模拟过程中，先进行右洞开挖，再开挖左洞。下面是隧道模拟开挖中地表沉降的动态变化过程，见下图6。

图6 隧道开挖过程的地表沉降

根据模拟结果可知，在首先进行对靠近建筑物一侧开挖的过程中，开挖所造成的影响宽度在逐渐增大，即沉降槽宽度在不断加大，由35.5m扩大到38.2m，对周边的影响范围不断加宽。当左洞掌子面开挖至16m时，建筑物开始出现沉降，并且随着隧道的不断开挖，建筑物的沉降越明显，在沉降的过程中会有不均匀沉降的发生，造成结构内力。根据上述沉降等值曲线云图可知，在隧道左洞开挖过后地表沉降槽的形状及特性符合Peck公式所推导的地表沉降形式，即地表沉降最大值发生在隧道中线处，左右两侧沉降对称分布，越是远离中线沉降值越小，沉降值的变化也平缓。

选取隧道左洞中线28m处的地表沉降值绘制以L/D为横坐标的地表沉降变化曲线，如图7所示。

由图7可以看出数值模拟的地表的沉降随着隧道开挖的进程的变化趋势与在施工现场收集到的实际数据所到的结论是基本一样的，验证了地表分为四个阶段沉降的正确性。

图7 左洞28m处地表沉降的变化

选取隧道纵向的28m处截面来分析地表沉降在开挖过程中的具体变化，如图8所示。

在隧道右洞的开挖进行过程中，沉降影响会与左洞开挖的沉降影响发生重叠，造成最大沉降值的发生处开始右移，不断接近两个隧道之间的中线；随着隧道右洞的开挖，逐渐在两个隧道之间的中线上会产生最大沉降值，地表沉降以两个隧道之间的中线为对称线分布。

图8 地表沉降随开挖过程的变化

4 结语

(1)根据兰州地铁一号线陈官营至东岗区间隧道地表沉降变形随掌子面的变化曲线分析，可以把隧道分为4个阶段：沉降微小阶段、沉降显著发展阶段、沉降缓慢阶段、沉降稳定阶段。在沉降显著发展阶段，最大沉降速率达到180 mm/d。在沉降显著发展沉降量达到总沉降量的60%左右，隧道开挖引起的地表沉降最大值为28.7mm。

(2)根据数值模拟的结果验证了隧道开挖过程中地表沉降的四个变化阶段，同时可以发现隧道地表的沉降槽宽度是一个变化的过程，随着隧道的开挖将逐渐扩大，且左右隧道的相继开挖将会造成沉降槽的漂移，最终稳定时的沉降槽将会是两条隧道单独开挖效果的叠加，最大沉降发生在两条隧道的中线上。

(3)根据上述研究，建议在今后兰州地区的地铁施工过程中加强对地表沉降的控制，同时预防对原有路面可能造成的龟裂破坏。

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Class No.:U455 Document Mark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

Surface Subsidence Caused by Metro Tunnel Excavation in Loess Area in Lanzhou

Meng Xiaolong

(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou, Gansu 730070，China)

Based on Lanzhou subway excavation process, we studied the characteristics of surface subsidence caused by shallow-buried tunnel excavation in Lanzhou Metro by comparing the observation data of surface subsidence. The results show that the ground surface subsidence deformation of tunnel is divided into little settlement, significant fast settlement, slow settlement and stable settlement stages. The settling volume reached 60% of the total settlement in the significant fast settlement stage, the maximum settlement was 28.7 mm. We also verified the four phases of the surface subsidence by the numerical simulation of the process of tunnel excavation, at the same time we found that the settling tank will increases gradually and drift phenomenon exists in the process of excavation.

loess tunnel; Lanzhou Metro; settlement monitoring; ground surface settlement; settlement trough

孟晓龙，硕士，兰州交通大学。研究方向：桥梁与隧道。

1672-6758(2017)05-0058-4

U455

A