地铁隧道浅埋暗挖法施工地表沉降研究

赵 予

（中铁二局集团有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

城市轨道交通是城市立体交通网络的重要组成部分，在我国近10 年中得到了大量兴建，特别是在人口密集、经济发达的一线和二线城市，地铁线路从零线向成网发展，并逐步扩展到城市郊区和相邻市域[1]。轨道交通的快速发展也给地下工程的发展带来了很多机遇，新的隧道施工工艺、施工设备得以大量应用。而在城区中，受到敏感环境的制约以及场地空间的限制，盾构设备施工存在困难，而传统的暗挖施工工法具有较强的适用性，成为局限条件下的施工手段之一[2]。但暗挖隧道的上覆土层较薄时，施工容易受到扰动，控制地层变形是保证地表建筑物和道路交通结构安全的重要前提，因此研究浅埋暗挖法地铁隧道施工引起的地表沉降规律具有十分重要的意义。

1 工程概况

四川省成都市地铁8 号线整体呈东北西南走向，线路全长29.1km，线路起于十里店站，终于莲花站，线路设计运行最高时速为80km/h，共设有25 座车站，24 个区间。地铁8 号线某区间隧道采用浅埋暗挖法施工，施工段落长度为2200m，隧道断面呈马蹄形，轮廓外直径为6.5m，左右线隧道间距为35m，隧道埋深较浅，区间埋深为6m~8m，局部小于6m，属于浅埋隧道。隧道穿越密集城中居民区和交通要道，地表道路和建筑物容许变形严格，因此对浅埋暗挖隧道的变形施工控制提出了较高的要求。经地质钻探揭露，场区地基土主要为①层耕填土（0.30m~5.10m）、①-1淤泥质土（0.20m~0.60m）、②-1 层粉质黏土（1.10m~7.10m）以及②层粉质黏土（0.50m~6.20m）。经现场取样和室内试验，场地内各层岩土的物理力学指标及技术参数见表1。隧道洞身主要穿越②-1 层粉质黏土和②层粉质黏土。

表1 场地内各层岩土的物理力学指标及技术参数

从表1 可以看出，各土层的力学强度指标存在明星的差异，土层黏聚力和内摩擦角按照①-1 层淤泥质土、②-1层粉质黏土、②层粉质黏土、③-1 层黏土和③层黏土的顺序不断增加。其中，①-1 层淤泥质土和②-1 层粉质黏土的力学强度软弱，黏聚力和内摩擦角指标较小。①-1 层淤泥质土和②-1 层粉质黏土的黏聚力分别为10kPa、18kPa，内摩擦角分别为5.0°和11.2°。

2 浅埋暗挖隧道施工地表沉降的经验计算公式

在隧道工程的施工地表沉降计算中，Peck 等人经过大量的工程实践提出了具有典型高斯曲线特征的地表沉降计算方法，如公式（1）所示[3-4]。

式中：Sx为隧道横截面地表任意位置的沉降值，mm；Smax为隧道横截面地表最大沉降值（一般在隧道中心位置），mm；x为地表上的坐标，m；i为地表高斯沉降槽宽度，mm。

Peck 理论沉降曲线具有明显的对称性，其计算过程对地层的各向异性进行了理想化，认为地层为典型的弹性体且地层连续和各项异性，该计算方法与实际监测结果往往存在差异，但由于其计算方法简单，在工程时间中仍有一定应用[5]。

为了解释浅埋暗挖隧道施工引起地表沉降的机理，Burland 等人基于物质守恒定律，认为地表的沉降是由隧道地层损失导致的，其沉降产生的空间和土层压密空间与隧道开挖的土体体积一致，因此得到的计算地表沉降的理论方法如公式（2）所示[6-7]。

式中：V为隧道开挖引起的地层损失率，%；D为浅埋暗挖隧道的外轮廓直径。

3 浅埋暗挖隧道施工地表沉降监测结果分析

当里程为ZDK100+230~ZDK100+730 时，沿着隧道纵轴线方向共布置5 条地表沉降监测线，分别为隧道中心轴线在地表的投影位置（CJJC01）、隧道中心轴线左侧5m（CJJC02）、隧道中心轴线右侧5m（CJJC03）、隧道中心轴线左侧10m（CJJC04）和隧道中心轴线左侧10m（CJJC05）。监测结果如图1所示。从图1 可以看出，5 条地表沉降监测线的沉降值均呈现明显的剧烈分布，但其分布规律在局部存在一定程度的差异。当里程为ZDK100+230~ZDK100+300 时，5 条地表沉降监测线的沉降值变化趋势较为一致，98%的累计沉降量落在10mm~30mm。当里程为ZDK100+300~ZDK100+200 时，5条地表沉降监测线的沉降值变化剧烈，起伏较大，这是因为该区间的地层存在明显的空间变异性，兵存在粉砂、粉土夹薄层，施工时极易受到扰动而引发地表沉降。当里程为ZDK100+300~ZDK100+670 时，5 条地表沉降监测线的沉降值变化趋势较为一致，95%的累计沉降量落在18mm~60mm，局部里程段即ZDK100+560~ZDK100+580段的累计沉降量略小。当里程为ZDK100+670~ZDK100+730 时，5 条地表沉降监测线的沉降值变化趋势存在一定差异，隧道轴线右侧10m 测线处的沉降值明显偏大，其变化剧烈，沉降量极值达到194mm，其余4 条测线的沉降值变化规律较为一致，95%的累计沉降量落在18mm~60mm。

图1 沿着隧道纵轴线不同监测线的地表沉降曲线

沿着隧道纵轴线方向布置的5 条地表沉降监测线沉降值按区间统计分布结果如表2 和图2 所示。从图2 可以看出，5 条地表沉降监测线沉降值分段统计规律较为一致，沉降值均集中在较小的范围内且每个分段区间的频次基本接近。5 条地表沉降监测线沉降频次最高的区间位于10mm~30mm，频次均大于230 次，其次位于30mm~50mm（频次72 次~153 次），而0mm~10mm（频次41 次~94 次）和50mm~70mm（频次26 次~48 次）的频次紧随其后，其余区间的频次均较小。这表明采用地铁隧道浅埋暗挖法施工时，除了应该关注一些地表沉降极值外，沉降值集中的区段也应引起注意，在这个区段的沉降中投入治理经费或采取加固措施可以取得事半功倍的效果[8]。

图2 沿着隧道纵轴线不同监测线的地表沉降分段统计

表2 沿着隧道纵轴线5 条监测线的地表沉降分段统计结果

5 条监测线在里程CZK100+420m 位置累计地表沉降随时间的变化监测结果如表3 和图3 所示。从图3 可以看出，5 条监测线在里程CZK100+420m 位置的累计地表沉降值均呈现出较为一致的变化规律，为明显的“S”型。在浅埋隧道开挖初期20d 内，地表沉降值较小，均小于1mm。在浅埋隧道开挖20d 至60d 内，地表沉降值随着开挖时间的增加而不断增加，5 条监测线的地表沉降值增加速率有所不同。在浅埋隧洞开挖60d 至70d 内，地表沉降值随着开挖时间的增加而趋于收敛稳定，5 条监测线的最终沉降值大小有所不同。隧道轴线地表投影处的地表沉降值最大，为34.5mm，距离地表轴线越远，其地表沉降值也越小。以隧道轴线左侧为例，当距离隧道轴线为5m 时，隧道最终沉降值为32.22mm。而当距离隧道轴线为10m 时，隧道最终沉降值为30.09mm。在距离隧道轴线相同的位置，隧道左侧的最终沉降值明显大于隧道右侧的沉降值。例如当距离隧道轴线为5m 时，隧道左侧的最终沉降值为32.22mm，而在隧道右侧的最终沉降值为27.83mm。这与Peck 理论沉降曲线的对称性有明显不同，其是由地层条件的随机性、不均匀性和空间变异性导致的，同时施工过程中开挖速率和开挖步骤也会影响地表的沉降分布。

图3 5 条监测线里程CZK100+420m 位置的地表沉降随时间的变化曲线

表3 5 条监测线里程CZK100+420m 位置的地表沉降时程监测结果

5 条监测线里程CZK100+420m 位置地表沉降实测值与理论计算值对比见表4。从表4 可以看出，基于Peck 理论计算的沉降值和基于Burland 理论计算的沉降值均具有明显的对称性，处于隧道轴线位置的沉降值为最大，处于两侧的则随着离隧道轴线距离的不断增加而不断下降。将基于Peck 理论计算的沉降值、基于Burland 理论计算的沉降值与实测沉降值进行对比可发现实测沉降值呈现明显的不对称性。处于隧道中心位的基于Peck 理论计算的沉降值和基于Burland理论计算的沉降值均比实测沉降值大；出于隧道轴线两侧的基于Peck 理论计算的沉降值和基于Burland 理论计算的沉降值比实测沉降值小且在隧道左侧10m 处的误差最大。

表4 5 条监测线里程CZK100+420m 位置地表沉降实测值与理论计算值的对比

4 结论

该文以四川省成都市地铁8 号线某浅埋暗挖法隧道区间为研究对象，运用理论分析和现场实测的方法分析浅埋暗挖隧道地表纵向沉降与横向沉降的演变规律，得出的结论如下：1）在隧道纵向上，5 条地表沉降监测线的沉降值均呈现明显的剧烈分布，但其分布规律在局部存在一定程度的差异，沉降值频次最高的区间位于10mm~30mm，其次位于30mm~50mm，而0mm~10mm 和50mm~70mm 的频次紧随其后，其余区间的频次均较小。2）在时间特性上，5 条监测线在里程CZK100+420m 位置的累计地表沉降值均呈现出较为一致的变化规律，为明显的“S”形。在距离隧道轴线相同的位置，隧道左侧的最终沉降值明显大于隧道右侧的沉降值。3）将基于Peck 理论计算的沉降值、基于Burland 理论计算的沉降值与实测沉降值进行对比可发现实测沉降值呈现明显的不对称性。处于隧道中心位的基于Peck 理论计算的沉降值和基于Burland 理论计算的沉降值均比实测沉降值大；出于隧道轴线两侧的基于Peck 理论计算的沉降值和基于Burland 理论计算的沉降值比实测沉降值小且在隧道左侧10m 处的误差最大。