土岩组合地区浅埋暗挖隧道地表沉降监测研究

2018-09-10郭峰松王迪

河南科技 2018年19期

郭峰松王迪

摘要：本文以青岛地区某暗挖车站的工程实例为依托，通过对施工监测数据进行分析，并结合该地区典型的土岩组合地层条件，得出拱盖法施工过程中左右导洞开挖所造成的地表沉降规律：纵向上，随着掌子面的不断推进，地表沉降可分为微弱变形阶段、急剧变形阶段、缓慢变形阶段和变形稳定阶段；横向上，左导洞的先行开挖会在隧道中线左侧上方形成单侧地表沉降槽，待左右导洞完全开挖后则会在隧道中线两边形成双侧地表沉降槽，其影响范围为隧道中线两侧10m左右。进一步对引发地表沉降的各种影响因素进行分析，提出旨在控制地表沉降的相应技术方案，这对后续类似工程地质条件下的地铁施工起到良好的指导作用。

关键词：土岩组合地层；地表沉降；监测；地表沉降槽；拱盖法

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：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，为缓解日趋繁重的地面交通压力，国内修建地铁的城市越来越多。然而，由地铁施工所引发的地表沉降问题也越发严重，如浅基础建筑物的开裂与倾塌、地面管线的沉降与破坏、路面“天坑”的出现等。这些问题时常发生在城市浅埋暗挖隧道施工过程中。究其原因，主要在于浅埋暗挖隧道的施工会对土层形成扰动，破坏土体内部原有受力平衡，从而导致地应力重新分布。

为尽可能减少地表沉降带来的财产损失和人员伤亡，国内外专家学者对隧道暗挖引起的变形与沉降展开大量研究，并取得了丰硕的成果。美国学者Peck[1]在墨西哥国际土力学大会上首次提出地层损失率的概念及地表沉降相关计算公式，为后继学者的研究提供理论支撑；姚宣德和王梦恕[2]通过对国内多座城市浅埋暗挖施工所引发的地表沉降问题进行实地调研与统计分析，论证了地表沉降的普遍规律及其影响范围，并提出适用于我国的地表沉降控制值；王霆[3]等通过对多个地铁暗挖车站的监测数据进行拟合与分析，探讨了符合北京地区黏砂土互层地质条件下地表沉降槽宽度系数和地层损失率的一般计算规律，并初步提出地表最大沉降值的预测依据；张冬冬[4]等通过数值计算和力学模型分析，探讨了西安典型地层黄土隧道开挖过程中的地表沉降特征。

从现有研究发现，大多数地表沉降的监测和分析集中在软土地区，土岩组合地层条件下隧道施工引起的地表沉降规律的研究较少。本文依托青岛市某地铁车站的工程实例，对青岛地区的典型土岩组合地层下的地表沉降规律进行监测分析，并提出控制沉降的相应技术方案，以期为类似工程实践提供参考。

2 工程概况

2.1 工程实例

青岛市某地铁车站位于两条交通主干道的十字路口，地表车流量较大，采用地下2层岛式设计，共设有4个出入口和2组风亭，站台宽度11m，有效站台长度为118m。车站全长234.60m，标准段宽度21.22m。车站所在位置地面起伏较大，其顶板覆土14.67～19.28m。该车站采用拱盖法施工，附属结构采用明暗挖结合的方法施工。

2.2 工程地质与水文地质条件

场区属于剥蚀残丘地貌。通过钻探揭示，场区第四系土层主要是全新统素填土层（Q4ml），其厚度为0.5～6.8m。下伏基岩为中生代燕山晚期侵入岩花岗岩（γ53）、花岗斑岩（γπ53）、闪长岩（δ53）及煌斑岩（x53），揭露地层包括强风化岩层、中风化岩层、微风化岩层，局部块状碎裂岩和节理密集带[5-7]。每个风化带的岩石类型以花岗岩为主，夹杂有少量上述其他三类岩石。车站地下水类型则主要为基岩裂隙水，赋存于花岗岩、煌斑岩裂隙中，其富水性差且水量贫乏，对施工开挖影响不大。场区各地层剖面如图1所示。

2.3 隧道结构设计与施工

车站主体结构的施工采用拱盖法，由风道（横通道）结构与车站主体结构交叉口段开始施工，进入主体结构之后，其隧道断面各导洞及下部台阶的先后开挖至隧道结构封闭成环共分为6步，具体施工步骤为：①开挖左右导洞并施做初期支护；②开挖中部导洞并施做初期支护；③1、2号风井与左右导洞贯通后，施做两侧拱脚梁；④待拱脚梁强度达标后，拆除临时支撑，再铺设拱部防水层，施做拱部二衬；⑤开挖下断面台阶并施做初期支护；⑥铺设防水层，浇筑下台阶仰拱及边墙混凝土，结构封闭成环[8-10]。

在综合考虑了场区隧道的地形地质条件、围岩等级及断面设计等因素后，本工程初期支护工艺最终确定为超前小导管、喷砼、格栅钢架、钢筋网和锚杆等支护手段。其中，支护锚杆采用砂浆锚杆和中空注浆锚杆。

3 监测方案及测点布设

3.1 监测方案

地表沉降采用精密水准测量方法。监测时，通过测得各测点与基准点（基点）的高程差，可得到各监测点的高程，然后与上次测得高程进行比较，其差值即为该测点的沉降值，即

[ΔH=Hn-H0] （1）

式中：[ΔH]表示监测点沉降值（m）；[Hn]表示监测点实测高程（m）；[H0]表示监测点初始高程（m）。

利用式（1）计算监测点各期高程值，可以得出暗挖隧道各施工阶段所产生的地表沉降值、沉降速率以及累计沉降值等数据。

3.2 测点布置

根据该车站的具体地质和地形条件、自身结构特点及周边风险源等实际情况，其主体结构区域内布设的地表沉降监测断面间隔约为10m，每个断面按现场情况布设8个测点，个别断面的布点数为7个，测点的横向间距为2～10m。其中，主体结构施工掌子面正上方分布有5个监测点，右导洞施工区域外侧有2个监测点，左导洞施工区域外侧有1个监测点，其局部监测点位布设如图2所示。

4 地表沉降监测分析

4.1 地表沉降槽理论分析

浅埋暗挖隧道的开挖会对土体形成扰动，破坏其内部原有的受力平衡，致使松散地层固结压缩，导致地面标高出现局部降低，从而形成地表沉降槽（见图3）。本文针对该地铁车站地表沉降的监测分析亦是研究其地表沉降槽所表现出的规律性。

如图3所示，以y轴方向研究地表沉降槽的纵向沉降规律，可将隧道掌子面开挖过程在x=0平面上的沉降变化趋势等效为图4所示曲线的4个沉降阶段，即微弱变形阶段I、急剧变形阶段Ⅱ、缓慢变形阶段Ⅲ及变形稳定阶段IV。其中，y轴表示掌子面与监测断面之间的距离L（L=x×D，-2≤n≤9，其中D为洞径）；z轴表示地表沉降量。该曲线展示了隧道纵向地表沉降量随着掌子面与监测点不同距离时所展示的基本规律，也是本文研究地表纵向沉降的验证性理论依据。

将图3中x轴方向作为研究对象，则y=0平面上的沉降趋势即为地表横向沉降规律。本文以Peck公式作为研究横向地表沉降的理论支撑，横向沉降槽曲线呈正态分布，其分布经验公式为：

[sx=smaxexp-x22i2] （2）

其中，i为：

[i=H+R2πtan45°-?2] （3）

式中：[sx]表示距隧道中轴线x处的地表沉降值；[Smax]表示最大地表沉降值；i表示地表沉降槽宽度系数；H表示覆土厚度；R表示隧道半径。

根据式（2）和（3），将图3中Y=0平面上的横向地表沉降趨势拟合成图5中完整的横向沉降曲线，该曲线可以用来预测隧道施工过程中x轴方向上的地表沉降规律。

4.2 纵向地表沉降监测分析

如图2所示，断面2和断面3为间隔10m的相邻监测断面，以右导洞开挖方向来研究两个断面在纵向上地表沉降的规律性。在断面2上，选取DC09-06、DC09-07和DC09-08作为目标测点，其依次位于右导洞掌子面正上方往右至主体结构以外。同理，在断面3上相同位置选择DC10-06、DC10-07和DC10-08共3个目标测点。

图6和图7为断面2和断面3所测得的右导洞开挖过程中地表沉降量随时间变化的曲线。从图6和图7可以看出，两个断面沉降变化差异很小且沉降趋势大致相同，越往外偏离右导洞掌子面轴线，地表的沉降幅度越小，基本符合图3中三维沉降槽及图4中纵向地表沉降的变化趋势。因此，这可为隧道的后续开挖提供预见性参考，并且，未来施工过程可根据地表沉降预测曲线而选择合适的支护方式。

从图8可以看出，该地铁车站纵向地表沉降规律与图4中的沉降曲线基本吻合，同样可划分为4个阶段：①微弱变形阶段：从目标测点开始监测至掌子面距离其10m左右，这是纵向地表沉降变形的第一阶段，该阶段地表沉降速率相对较小，各测点的最大沉降值为0.3～1.5mm；②急剧变形阶段：从掌子面距离监测点10m左右至穿过后10m左右，这是第二阶段，该阶段地表沉降速率急剧增大，各测点的最大沉降值为1.5～4mm；③缓慢变形阶段：从掌子面穿过测点后10m左右至20m，这是第三阶段，该阶段地表沉降速率有所变缓；④变形稳定阶段：掌子面下穿20m之后属于第四阶段，整体地表沉降变形趋于稳定。可见，土岩组合地层条件下隧道开挖引起的地表沉降与其他地层表现为一致的规律性。

4.3 横向地表沉降监测分析

表1和表2为左导洞和右导洞开挖时断面1的地表沉降值，图9和图10为导洞开挖时横向地表沉降变化曲线。

从表1和图9可以看出，由于左导洞的开挖先于右导洞，施工所造成的近似“U”型的横向地表沉降槽主要集中在隧道中心线左侧，且左导洞正上方是沉降值最大的地方。随着掌子面不断向断面1移动，地表沉降幅度越来越大，其沉降值维为0.8～4.5mm。根据上文对纵向地表沉降规律的分析，可以判断掌子面过监测点20m后沉降会趋于稳定。在隧道右侧，由于中导洞和右导洞尚未开挖，因而产生的地表沉降不太明显，且随着监测点距离左导洞越远，其所测得的地表沉降值越小。

由表2和图10可知，当右导洞开挖时，由于左导洞已开挖完毕，中导洞尚未开挖，二者所处的地表沉降会受到右导洞开挖的叠加影响，其沉降值相比单侧导洞开挖时大。在图10中，监测点DC08-02和DC08-06由于各处在左右导洞的正上方，其地表沉降值是最大的，最大值分别达到了4.9mm和5.2mm。而监测点DC08-01和DC08-08由于始终距离开挖导洞较远，其沉降值并不大。可见，土岩组合地层隧道开挖的地表沉降影响范围是地表距离隧道中心线10m左右。

综合以上分析，拱盖法中左右导洞施工时会最终在横向上产生双侧地表沉降槽，其沉降规律基本符合图5中横向地表沉降变化曲线趋势，但影响范围较之于其他地层有一定差别。

5 地表沉降影响因素及控制技术分析

5.1 地表沉降影响因素分析

5.1.1 管线渗漏。车站选址区域地表下不同深度上埋设有多条市政管线，包括：铸铁给水管5条，埋深0.8～1.5m；砼质污水管3条，埋深0.3～2.1m；砼质雨水管2条，埋深1.4～1.8m。上述3种地下管线会发生老化渗漏，使场区渗透系数较高的素填土层及下部风化地层处于软化和水饱和状态，一旦主体隧道开挖，就会造成饱和水分流失，从而发生土体固结沉降现象。

5.1.2 地面车载。该地铁车站位于两条交通主干道的十字交叉口，其主体结构沿其中一条道路呈东西向排布。此处属于交通繁忙地段，地面车流量较大，且常有大中型公交车及货车往来，这些地面行车的来回扰动给地下暗挖施工产生了不均匀动荷载，引起一定程度的地表沉降。

5.1.3 地下水流失。根据场区地勘报告，车站地下水类型主要为基岩裂隙水，施工过程会造成地下水因压力差而外泄，地层的持续失水同样将产生岩体内部裂隙和节理的收缩，进而发生地层及地表的沉降。

5.1.4 地层失稳。车站拱顶埋深14.67～19.28m，隧道上部导洞的开挖过程中会遇到强风化和中风化花岗岩层，围岩自稳能力差，容易受到施工扰动发生岩体失稳导致的地表沉降。

5.1.5 施工不当。由于车站采用地下2层岛式设计，主体结构施工工艺为拱盖法，每个导洞的开挖支护会多次扰动土体，造成地表不同程度的叠加沉降。此外，各分部掌子面的开挖步距过大、过小分别会造成初支封闭不及时和开挖跨度大，这些都会加剧地表沉降的发生。

5.1.6 爆破扰动。车站在施工过程中对围岩进行爆破，这会对掌子面周围或上部的强风化和中风化岩层形成扰动，进而造成地层失稳并引发地表沉降。

5.2 控制技术

根据施工过程中地表沉降的监测分析和现场实际情况，本文给出以下建议。

①加强对施工范围内所有渗漏管线的排查，发现问题及时上报处理。同时，从地下导洞斜上方打设Φ50mm的钢质注浆花管，对软弱土体进行密实加固。

②在地表对主体结构施工区域的地层进行注浆加固，增加岩土体的密实度，提高围岩自稳能力。

③改进施工工艺，加快掌子面的初期支护和封闭成环，及时对初支和岩土体间空隙进行回填注浆。此外，严格控制超挖，将左右导洞的开挖步距控制在2～3倍洞径。

④加强施工监测，并对数据进行及时分析，一旦地表沉降值达到报警临界值，即对地层进行注浆加固，视效果再进行下一步施工。

⑤合理安排爆破方案，减少装药量，严格控制爆破振速，这对减少爆破造成的围岩扰动能起到良好的效果。

6 结论

通过对青岛某地铁车站暗挖施工所造成地表沉降的监测分析，并结合具体工况，本文得出以下结论。

①在土岩组合地层中，强风化岩层对隧道开挖不利，必要时应做好围岩的注浆稳固措施，同时加强施工监测，做好地表沉降的实时分析，并提出应对措施。

②从纵向上来看，导洞开挖所造成的地表沉降可分为4个阶段：从监测开始至掌子面距离监测断面10m左右属于微弱变形阶段，该阶段沉降速率较慢，最大地表沉降值为0.3～1.5mm；从掌子面距离监测点10m左右至穿过后10m左右属于急剧变形阶段，该阶段地表沉降速率急剧增大，最大沉降值为1.5～4mm；从掌子面穿过测点后10m左右至20m之间属于缓慢变形阶段，该阶段变形速率变小，变形缓慢；掌子面下穿20m之后属于变形稳定阶段，整体地表沉降变形趋于稳定。

③从横向上看，左导洞先行开挖会在隧道中心线左上方形成单侧地表沉降槽，待左右导洞都施工至掌子面穿过监测断面之后，会形成分布于隧道中线两边的双侧地表沉降槽，地表最大沉降值均出现在各导洞的正上方，且随着测点与导洞轴线距离的拉远而逐渐变小，整个沉降槽的影响范围为隧道中心线左右两侧10m。

④左右导洞的开挖会产生交互影响，并对尚未开挖的中部导洞产生叠加沉降。监测分析发现，左右导洞的开挖步距应控制在2.5倍洞径左右。

参考文献：

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

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