矿山法施工地铁隧道地表沉降分步控制研究

李世良 马晓东

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430050)

1 概述

矿山法[1，2]因借鉴矿山开拓巷道的方法而得名。按衬砌施工顺序，可分为先拱后墙法及先墙后拱法两大类。其开挖过程分为：爆破、清渣、支护，并依此步序循环施作，监测应贯穿于隧道开挖的整个过程[3-5]。

隧道施工必然会对周围土体产生扰动，导致地表沉降。地表沉降量作为反映隧道施工安全的一项重要指标，在通常情况下，其控制值为30 mm，是一个贯穿整个施工过程的总量值，一般不做分段考虑。在采用矿山法施工的隧道工程中，诱发地表沉降的因素主要有[2-6]：施工扰动、回填土自密实过程、取土后支护不及时导致隧道顶部受力不平衡、爆破震动、地表动载影响等。以上各因素在隧道开挖的不同阶段所引发的地表沉降量也不尽相同[4-7]。

前期盲目施工、支护不及时或者其他因素，易造成地表沉降量累计值过大。由此所产生的危害主要分为两个部分[8，9]：①尽管地表沉降偏大，但没有超控制值(此时不能进行预警)，这种情况下，无法对施工方进行约束，增大了开挖风险。②前期地表沉降过大，在随后的开挖施工过程中，造成地表沉降总控制值超限，引发监测红色预警，导致停工等严重后果。

为了避免这一现象发生，通过对某地铁隧道地表沉降监测数据的分析，获取矿山法暗挖隧道施工过程中各阶段的地表沉降量及其规律。研究表明，分步控制地表沉降量的方式有效、可行。

2 监测数据分析

为直观反映暗挖法隧道施工过程中，不同施工阶段所引发的地表沉降量的情况，以某地采用矿山法进行地铁隧道施工的实际监测数据为例进行分析。某地铁隧道所处区域土质为软土及回填土，隧道中线上方区域为城市郊区主干道，重载车辆较多。隧道采用上下台阶法开挖[10-12]。地表沉降监测在距离开挖工作面前3倍洞径处开始进行，地表沉降控制值为30 mm。

图1 DB104-1沉降量趋势

图2 DB104-3沉降量趋势

图1、图2所示的曲线为布设于该隧道左右线中线上方地表沉降点DB104-1、DB104-3所对应的累计沉降曲线。由图1、图2可知，在开挖阶段，两点的监测数据都达到了预警的标准。尤其是进行上下台阶法施作时，存在一次进尺过长、支护不及时等情况，进而造成沉降速率过大，累计沉降超限，地表出现裂缝，引发红色预警导致停工。

从以上分析可知，地表沉降累计值有明显的分段现象存在。其中第一阶段(1～41 d)沉降变形较平缓，地表累计沉降量约为6 mm；第二阶段(41～49 d)变形较快，地表累计沉降量达到17 mm；第三阶段(49～51 d)变形较小，地表累计沉降几乎为0；第四阶段(51～58 d)变形较快，其中监测点DB104-1的累计沉降量约为30 mm，监测点DB104-3的累计沉降量约为25 mm；第五阶段变形逐渐趋于稳定。

3 地表沉降分步控制

对图1、图2中曲线变化趋势进行分析，两沉降监测点对应的沉降监测数据曲线所呈现出的变化趋势与隧道施工进度相符合。

(1)第一阶段对应开挖工作面前3倍洞径处的沉降情况，诱发本阶段地表沉降的主要原因是回填土自密实、地表重载车辆碾压，次要原因是施工扰动。随着工作面的前移，沉降速率受施工扰动的影响越来越大。整体上看，本阶段的变形量贡献率为17%。

(2)第二阶段对应开挖工作面处于监测点正下方(上台阶开挖处的沉降情况)，沉降的主要原因是施工扰动、取土后支护不及时，导致隧道顶部受力不平衡；次要原因是回填土自密实及地表重载车辆碾压，本阶段沉降贡献率为34%。

(3)第三阶段对应支护完成后的沉降情况，本阶段隧道受力基本达到平衡，沉降速率减缓，沉降几乎为0。

(4)第四阶段对应下台阶施作时的沉降情况，沉降原因与第二阶段相同，其变形贡献率为31%。

(5)第五阶段对应初期支护成环后的沉降情况，本阶段隧道整体受力平衡，且工作面逐步向前推进(已远离监测点)，监测数据逐渐趋于稳定。

综合以上分析可知，第二、第四阶段贡献了65%的变形值，应主要针对这两个阶段采取控制措施。

首先根据贡献率确定施工各阶段的允许变形值。其次，施工时进行实时监测，将累计沉降值与各阶段允许变形值进行比较，根据对比结果，指导各阶段施工。施工方可根据各阶段控制值与实时监测数据的对比，调整进尺长度并及时支护，以减少施工扰动。

图3为经过分阶段控制后，某断面地表沉降监测累计值时态曲线。从图3可知，地表沉降累计值得到了有效控制，没有超出30 mm的控制值。

图3 分阶段控制后某断面累计沉降曲线

4 结论

(1)利用某地矿山法施工地铁隧道地表沉降监测数据，分析各施工阶段对应的地表累计沉降量相对总体沉降量的贡献率，其中上台阶开挖、下台阶开挖阶段所占比重分别为34%和31%。因此，在施工过程中，应重点关注这两个施工阶段的地表沉降变化情况。

(2)通过对实测数据的分析，提出了地表沉降分步控制法。该方法可有效指导施工掘进，既能确保安全施工，又可以避免或减少由于监测预警带来的停工，从而避免工程延期，减少工程成本。对其他类似采用矿山法施工的隧道具有借鉴意义。

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