摘要：本文以在建的淺埋暗挖法施工的北京地鐵五號線某標(biāo)段的雙線隧道為例，通過現(xiàn)場各實(shí)驗(yàn)斷面實(shí)測數(shù)據(jù)的分析研究，得到在第四紀(jì)覆蓋層，主要為粉質(zhì)粘土的地質(zhì)條件下隧道開挖過程中地表沉降、速率和拱頂沉降變化趨勢。并指出在掌子面0.5D～0.75D范圍內(nèi)，地表沉降速率增長較大，施工中應(yīng)在該范圍內(nèi)及時(shí)進(jìn)行初期襯砌的支護(hù)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，地表累計(jì)沉降主要發(fā)生在掌子面2D范圍內(nèi)，在此區(qū)域內(nèi)地表變形速率較大，超出3D后，地表變形速率趨于平緩；沿隧道縱向地表沉降最大值超前發(fā)生于主斷面。其影響最大的范圍是在4D～4.5D的范圍內(nèi)。在施工中適時(shí)用小導(dǎo)管注漿法加固土體效果顯著。分析結(jié)果對北京地鐵后期建設(shè)和同類地層地鐵施工環(huán)境控制具有重要借鑒和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：淺埋暗挖；地表沉降；拱頂沉降

      目前國內(nèi)許多大城市都在發(fā)展以地鐵為主要干線的快速軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，地鐵對解決城市交通堵塞，改變城市布局，實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境和交通綜合治理，起到很大的作用。地鐵所到之處樓宇興旺、土地增值，推動(dòng)了周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此地鐵有著越來越廣闊的發(fā)展空間。隨著地鐵在城區(qū)松散土介質(zhì)圍巖條件下的大量修建，淺埋暗挖法[1]隨之發(fā)展起來。該法借鑒了新奧法的某些理論，用于隧道埋深接近于隧道直徑的各種尺寸與斷面形式的隧道洞室修筑，施工起來不影響城市交通，無污染、無噪聲。在地鐵隧道施工中，淺埋暗挖法具有越來越廣闊的發(fā)展前景。

      地鐵建設(shè)中，人們越來越關(guān)心地鐵隧道施工對城市環(huán)境的影響，已有一些關(guān)于地鐵施工引起既有臨近城市地下管線、房屋基礎(chǔ)及道路交通等不能正常使用的報(bào)道，因此，準(zhǔn)確預(yù)測及現(xiàn)場量測反饋施工引起的地層變形及其影響范圍對指導(dǎo)安全施工和設(shè)計(jì)十分重要[2]。

      國內(nèi)外對隧道開挖引起地層變形的研究有以Peck公式為代表的經(jīng)驗(yàn)公式、工程類比法和數(shù)值分析法，目前國內(nèi)同濟(jì)大學(xué)對軟土地層中的盾構(gòu)施工引起的地層變形有一些研究[3]，隨著淺埋暗挖施工方法的興起，其施工中地層變形和周邊建（構(gòu)）筑物的沉降也日益引起重視。地鐵隧道施工中對現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)測可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)，有效地指導(dǎo)地下工程施工，并且可以反分析隧道結(jié)構(gòu)受力情況和地層變形規(guī)律。

      本文通過北京地鐵淺埋暗挖法施工所引起的地表沉降進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，試圖建立起評價(jià)地層變形對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的方法，為淺埋暗挖施工的環(huán)境控制提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

      北京地鐵五號線某標(biāo)段淺埋暗挖法區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段穿越地壇南門廣場，從既有道路下方穿過，道路交通流量較大。隧道埋深9~15 m，地質(zhì)勘察報(bào)告表明，本區(qū)間處于第四紀(jì)覆蓋層，隧道穿越粉質(zhì)粘土，車站場區(qū)地層中賦存上層滯水、潛水和承壓水。淺埋暗挖法區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段隧道單洞為馬蹄形斷面，復(fù)合式襯砌，覆土深度15 m，采用臺階法施工，上臺階施工時(shí)環(huán)形開挖留核心土，如圖1。

      結(jié)構(gòu)仰拱主要埋置于粉質(zhì)粘土層，局部穿越粉土層，底板埋置較穩(wěn)定，與承壓水含水層頂板的距離均大于2 m，局部飽和粉土影響較大。結(jié)構(gòu)頂拱主要埋置于粉質(zhì)粘土層，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。側(cè)墻以粘性土和粉土為主，穩(wěn)定性較好，但受地下水的影響，可能會發(fā)生流砂、坍塌等。

2監(jiān)測點(diǎn)的布置與監(jiān)測

      沿隧道前進(jìn)方向設(shè)斷面D-1為監(jiān)測主斷面。監(jiān)測斷面上測點(diǎn)間距為5 m，隧道周圍地表沉降監(jiān)測點(diǎn)采用螺紋鋼（Φ=22 mm），用鉆孔法使鋼筋埋入原土層以下。馬路路面上的沉降監(jiān)測點(diǎn)穿透路面，將鋼筋埋設(shè)在路面凍土層以下的原狀土層中。測點(diǎn)布設(shè)如圖2。由于淺埋隧道與地表距離較近，施工時(shí)大都采用臺階法開挖，縱向斷面開始監(jiān)測點(diǎn)的超前距離為隧道距地表的深度H與上臺階高度h1之和[4]。

      整個(gè)縱向測定區(qū)間的長度為(H+h)+(2~5)D+L(L為上臺階開挖超前下臺階的距離）。隨著開挖進(jìn)程進(jìn)行了各點(diǎn)的地表沉降、土體分層沉降、土體水平位移以及隧洞內(nèi)拱頂下沉、隧道收斂、洞周收斂的檢測，并注意洞底隆起值的變化。

3地表沉降的統(tǒng)計(jì)分析與研究

      圖3表示的是開挖上臺階掌子面距離監(jiān)測主斷面0.5 m開始，直至掌子面通過監(jiān)測主斷面7.5m（約為1.25D）為止，隧道收斂、拱頂下沉及拱頂對應(yīng)地表點(diǎn)沉降的對比情況。

      從監(jiān)測結(jié)果看，這期間的拱頂下沉、隧道收斂值都不大。拱頂最大沉降值為2.2 mm，隧道收斂最大值為7.1 mm，從上臺階掌子面通過監(jiān)測斷面約為0.75D時(shí)開始，隧道收斂和拱頂下沉兩者的變形速率已經(jīng)趨于平緩，基本進(jìn)入了穩(wěn)定階段。這與進(jìn)行初期支護(hù)，以及上半臺階的周邊小導(dǎo)管注漿的作用有關(guān)。隧道周圍土體向隧道內(nèi)的變形很小，可以在較短的時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，對減小地表會有所幫助。但是從圖3中可以看出，在掌子面通過監(jiān)測斷面前，對應(yīng)地表沉降小于拱頂沉降，在掌子面通過監(jiān)測斷面后，地表沉降加劇，不但超過了拱頂下沉值，而且在拱頂下沉趨于穩(wěn)定后，仍然以較大速率繼續(xù)發(fā)展。

      一般情況下，地表沉降往往小于拱頂沉降，但根據(jù)一些資料顯示，對淺埋軟弱地層，尤其是富水含砂地層中城市地鐵隧道施工過程中地表沉降較大。如果在隧道上方有富水砂層存在，會由于砂層松散、不穩(wěn)定而導(dǎo)致地表下沉[5]；如果區(qū)間內(nèi)富含地下水，由于孔隙水流失也會導(dǎo)致土體固結(jié)下沉，出現(xiàn)這種情況。由地質(zhì)資料顯示，隧道上方存在一條約2 m高的砂層，隧道上方的上層滯水非常豐富，洞內(nèi)滲水非常嚴(yán)重。但在隧道開挖至監(jiān)測主斷面時(shí)，已經(jīng)基本通過砂層，由此可以分析出這種情況出現(xiàn)的主要原因是由于隧道上方豐富的潛水造成的。通過后期監(jiān)測可以了解到，由于地下水流失造成的地表沉降，在隧道已經(jīng)超過監(jiān)測主斷面3D時(shí)仍然繼續(xù)。因此在后期施工中，重點(diǎn)調(diào)查管線漏水情況，加強(qiáng)降水工作，采取措施控制地下水的流失，以減小地表的沉降。圖4是上臺階掌子面距離監(jiān)測主斷面0.5 m，直至掌子面通過監(jiān)測主斷面7.5 m為期6 d所監(jiān)測得到的主斷面內(nèi)地表沉降數(shù)據(jù)分析，反映了隧道開挖引起的地表水平沉降規(guī)律。在掌子面上臺階面通過主監(jiān)測面初期，孔頂?shù)牡乇沓两狄暂^大的速率增加，隨著初襯的支護(hù)和小導(dǎo)管注漿孔頂?shù)乇沓两禍p小且趨于平緩。D1-2與D1-6分別位于隧道中心線洞頂兩側(cè)，其地表沉降趨勢近似一致，隨著掌子面的向前推進(jìn)，其地表沉降略有增加，并趨近平緩。D1-3與D1-5也分別位于D1-4的兩側(cè)，但接近隧道側(cè)墻，從監(jiān)測得到的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)這兩條曲線在上臺階開挖初期，走向一致，沉降值略有增加，當(dāng)掌子面通過檢測主斷面0.5D時(shí)D1-5處得沉降值以很大的速率發(fā)展，且沒有收斂跡象。

      根據(jù)線形走勢，可以預(yù)測當(dāng)掌子面通過主監(jiān)測斷面1D后，隧洞側(cè)墻兩側(cè)的地表沉降將大于洞頂?shù)牡乇沓两�，隨著掌子面遠(yuǎn)離該斷面，其沉降值將趨于平緩。

      圖5是為期6 d的施工中沿隧道中心線方向地表沉降的規(guī)律。掌子面通過監(jiān)測主斷面前后0.5D范圍內(nèi)，主斷面沉降速率均大于前方斷面，并且前方地表沉降最大值超前發(fā)生于主斷面的地表沉降最大值。隨著掌子面的向前推進(jìn)，主斷面地表沉降速率減小，沿隧道縱向地表沉降速率很快增加，但其沉降值均小于斷面內(nèi)的地表沉降值。從圖中所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以推斷沿隧道縱向下一個(gè)斷面地表沉降速率變化更小，更趨于平緩，由此可以推斷出隧洞開挖對于縱向地表沉降的影響最大的范圍是在4~4.5D的范圍內(nèi)。

      由圖6和圖7可以看出在上臺階通過前施工的近一個(gè)月中，地表沉降為0.08 mm，基本上接近于零，說明標(biāo)準(zhǔn)段施工對地表的超前影響非常小，由此得出在現(xiàn)有地質(zhì)條件下，地表沉降主要受施工開挖影響，可以通過加強(qiáng)開挖時(shí)地層沉降控制達(dá)到控制地表沉降的目的。上臺階開挖后1.0D范圍內(nèi)的地表累計(jì)沉降約為8 mm，而在1.0~2D范圍內(nèi)，地表累計(jì)沉降約為6 mm，在2~3D范圍內(nèi)，地表累計(jì)沉降約為4 mm。因此地表累計(jì)沉降主要是在2D范圍內(nèi)產(chǎn)生。

      由圖7可知，隧道掌子面在超過監(jiān)測斷面1.0D范圍內(nèi)，其地表變形速率增長呈正加速度變化，這期間，地表變形急速增加；而在達(dá)到1.0~3D的范圍內(nèi)，地表變形速率開始放慢呈負(fù)加速度增長，超出3D后，加速度趨向于零，地表沉降進(jìn)入緩慢變形階段。

4結(jié)論

      （1）通過對掌子面穿越主監(jiān)測面前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出在掌子面距離監(jiān)測斷面前后0.5D拱頂下沉、隧道收斂值都較小，此后拱頂下沉、隧道收斂以及地表下沉以較大速率增長，但過監(jiān)測面0.75D后變形速率趨于平緩，進(jìn)入了穩(wěn)定階段，這歸結(jié)于初期支護(hù)，以及上半臺階的周邊小導(dǎo)管注漿的作用。為今后施工初期支護(hù)以及導(dǎo)管注漿的時(shí)間提供了技術(shù)支持。

      （2）對淺埋軟弱地層，尤其是富水含砂地層中或有上層滯水存在的土層中，砂層松散和孔隙水流失都會造成地表沉降加劇，拱頂下沉增加，在施工中應(yīng)引起足夠的重視，及時(shí)支護(hù)并控制地下水的流失以減小地表的沉降。在這種條件下，管線漏水情況也要高度重視。

      （3）在掌子面通過監(jiān)測主斷面前后0.5D范圍內(nèi)，沿隧道開挖方向地表沉降最大值超前發(fā)生于主斷面，但數(shù)值小于主斷面。隧洞開挖對于縱向地表沉降的影響最大的范圍在4~4.5D范圍內(nèi)。

      （4）在現(xiàn)有地質(zhì)條件下，地表沉降主要受施工開挖的影響，地表累計(jì)沉降主要發(fā)生在掌子面2D范圍內(nèi)。地表變形速率較大，施工中要予以重視，超出3D后，地表變形速率趨于平緩。

 

參考文獻(xiàn)

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