浅埋暗挖法地铁施工地表沉降的分析与研究

浅埋暗挖法地铁施工地表沉降的分析与研究

王绍君1，王 伟1，刘少军2

（1.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150090；2.北京市建设工程质量检测中心，北京 100045）

摘 要：本文以在建的浅埋暗挖法施工的北京地铁五号线某标段的双线隧道为例，通过现场各实验断面实测数据的分析研究，得到在第四纪覆盖层，主要为粉质粘土的地质条件下隧道开挖过程中地表沉降、速率和拱顶沉降变化趋势。并指出在掌子面0.5D～0.75D范围内，地表沉降速率增长较大，施工中应在该范围内及时进行初期衬砌的支护。通过监测数据的统计分析，地表累计沉降主要发生在掌子面2D范围内，在此区域内地表变形速率较大，超出3D后，地表变形速率趋于平缓；沿隧道纵向地表沉降最大值超前发生于主断面。其影响最大的范围是在4D～4.5D的范围内。在施工中适时用小导管注浆法加固土体效果显著。分析结果对北京地铁后期建设和同类地层地铁施工环境控制具有重要借鉴和参考价值。

关键词：浅埋暗挖；地表沉降；拱顶沉降

中图分类号：TU94+.2文献标识码：A文章编号：1672-7037(2008)03-0065-04

目前国内许多大城市都在发展以地铁为主要干线的快速轨道运输系统，地铁对解决城市交通堵塞，改变城市布局，实现城市环境和交通综合治理，起到很大的作用。地铁所到之处楼宇兴旺、土地增值，推动了周边地区的经济发展，因此地铁有着越来越广阔的发展空间。随着地铁在城区松散土介质围岩条件下的大量修建，浅埋暗挖法[1]随之发展起来。该法借鉴了新奥法的某些理论，用于隧道埋深接近于隧道直径的各种尺寸与断面形式的隧道洞室修筑，施工起来不影响城市交通，无污染、无噪声。在地铁隧道施工中，浅埋暗挖法具有越来越广阔的发展前景。

地铁建设中，人们越来越关心地铁隧道施工对城市环境的影响，已有一些关于地铁施工引起既有临近城市地下管线、房屋基础及道路交通等不能正常使用的报道，因此，准确预测及现场量测反馈施工引起的地层变形及其影响范围对指导安全施工和设计十分重要[2]。

国内外对隧道开挖引起地层变形的研究有以Peck公式为代表的经验公式、工程类比法和数值分析法，目前国内同济大学对软土地层中的盾构施工引起的地层变形有一些研究[3]，随着浅埋暗挖施工方法的兴起，其施工中地层变形和周边建（构）筑物的沉降也日益引起重视。地铁隧道施工中对现场环境的监测可以适当地调整施工工艺和设计参数，有效地指导地下工程施工，并且可以反分析隧道结构受力情况和地层变形规律。

本文通过北京地铁浅埋暗挖法施工所引起的地表沉降进行数据统计和分析，试图建立起评价地层变形对隧道结构稳定性影响的方法，为浅埋暗挖施工的环境控制提供相应的技术支持。

1工程概况

图1 浅埋暗挖台阶法施工

北京地铁五号线某标段浅埋暗挖法区间标准段穿越地坛南门广场，从既有道路下方穿过，道路交通流量较大。隧道埋深9~15 m，地质勘察报告表明，本区间处于第四纪覆盖层，隧道穿越粉质粘土，车站场区地层中赋存上层滞水、潜水和承压

收稿日期：2008-03-05

作者简介：王绍君（1972-），女，哈尔滨人，副教授，博士，研究方向为土木工程施工，wangshaojun@https://www.360docs.net/doc/ee13008936.html,。基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAJ01B04-01-01）。

水。浅埋暗挖法区间标准段隧道单洞为马蹄形断面，复合式衬砌，覆土深度15 m，采用台阶法施工，上台阶施工时环形开挖留核心土，如图1。

结构仰拱主要埋置于粉质粘土层，局部穿越粉土层，底板埋置较稳定，与承压水含水层顶板的距离均大于2 m，局部饱和粉土影响较大。结构顶拱主要埋置于粉质粘土层，结构较为稳定。侧墙以粘性土和粉土为主，稳定性较好，但受地下水的影响，可能会发生流砂、坍塌等。

2监测点的布置与监测

沿隧道前进方向设断面D-1为监测主断面。监测断面上测点间距为5 m，隧道周围地表沉降监测点采用螺纹钢（Φ=22 mm），用钻孔法使钢筋埋入原土层以下。马路路面上的沉降监测点穿透路面，将钢筋埋设在路面冻土层以下的原状土层中。测点布设如图2。由于浅埋隧道与地表距离较近，施工时大都采用台阶法开挖，纵向断面开始监测点的超前距离为隧道距地表的深度H与上台阶高度h1之和[4]。

图2 地表沉降测点布置

整个纵向测定区间的长度为(H+h)+(2~5) D+L(L为上台阶开挖超前下台阶的距离）。随着开挖进程进行了各点的地表沉降、土体分层沉降、土体水平位移以及隧洞内拱顶下沉、隧道收敛、洞周收敛的检测，并注意洞底隆起值的变化。

3地表沉降的统计分析与研究

图3表示的是开挖上台阶掌子面距离监测主断面0.5 m开始，直至掌子面通过监测主断面7.5 m（约为1.25D）为止，隧道收敛、拱顶下沉及拱顶对应地表点沉降的对比情况。

从监测结果看，这期间的拱顶下沉、隧道收敛值都不大。拱顶最大沉降值为2.2 mm，隧道收敛最大值为7.1 mm，从上台阶掌子面通过监测断面约为0.75D时开始，隧道收敛和拱顶下沉两者的变形速率已经趋于平缓，基本进入了稳定阶段。这与进行初期支护，以及上半台阶的周边小导管注浆的作用有关。隧道周围土体向隧道内的变形很小，可以在较短的时间内趋于稳定，对减小地表会有所帮助。但是从图3中可以看出，在掌子面通过监测断面前，对应地表沉降小于拱顶沉降，在掌子面通过监测断面后，地表沉降加剧，不但超过了拱顶下沉值，而且在拱顶下沉趋于稳定后，仍然以较大速率继续发展。

图3隧道收敛、拱顶及地表D1-4沉降变化曲线

一般情况下，地表沉降往往小于拱顶沉降，但根据一些资料显示，对浅埋软弱地层，尤其是富水含砂地层中城市地铁隧道施工过程中地表沉降较大。如果在隧道上方有富水砂层存在，会由于砂层松散、不稳定而导致地表下沉[5]；如果区间内富含地下水，由于孔隙水流失也会导致土体固结下沉，出现这种情况。由地质资料显示，隧道上方存在一条约2 m高的砂层，隧道上方的上层滞水非常丰富，洞内渗水非常严重。但在隧道开挖至监测主断面时，已经基本通过砂层，由此可以分析出这种情况出现的主要原因是由于隧道上方丰富的潜水造成的。通过后期监测可以了解到，由于地下水流失造成的地表沉降，在隧道已经超过监测主断面3D时仍然继续。因此在后期施工中，重点调查管线漏水情况，加强降水工作，采取措施控制地下水的流失，以减小地表的沉降。图4是上台阶掌子面距离监测主断面0.5 m，直至掌子面通过监测主断面7.5 m为期6 d所监测得到的主断面内地表沉降数据分析，反映了隧道开挖引起的地表水平沉降规律。在掌子面上台阶面通过主监测面初期，孔顶的地表沉降以较大的速率增加，随着初衬的支护和小导管注浆孔顶地表沉降减小且趋于平缓。D1-2与D1-6分别位于隧道中心线洞顶两侧，其地表沉降趋势近似一致，

随着掌子面的向前推进，其地表沉降略有增加，并趋近平缓。D1-3与D1-5也分别位于D1-4的两侧，但接近隧道侧墙，从监测得到的数值可以发现这两条曲线在上台阶开挖初期，走向一致，沉降值略有增加，当掌子面通过检测主断面0.5D时D1-5处得沉降值以很大的速率发展，且没有收敛迹象。

图4 开挖引起断面内的地表沉降分析

根据线形走势，可以预测当掌子面通过主监测断面1D后，隧洞侧墙两侧的地表沉降将大于洞顶的地表沉降，随着掌子面远离该断面，其沉降值将趋于平缓。

图5是为期6 d的施工中沿隧道中心线方向地表沉降的规律。掌子面通过监测主断面前后0.5D范围内，主断面沉降速率均大于前方断面，并且前方地表沉降最大值超前发生于主断面的地表沉降最大值。随着掌子面的向前推进，主断面地表沉降速率减小，沿隧道纵向地表沉降速率很快增加，但其沉降值均小于断面内的地表沉降值。从图中所统计的数据可以推断沿隧道纵向下一个断面地表沉降速率变化更小，更趋于平缓，由此可以推断出隧洞开挖对于纵向地表沉降的影响最大的范围是在4~4.5D的范围内。

图5隧道纵向地表沉降分析

由图6和图7可以看出在上台阶通过前施工的近一个月中，地表沉降为0.08 mm，基本上接近于零，说明标准段施工对地表的超前影响非常小，由此得出在现有地质条件下，地表沉降主要受施工开挖影响，可以通过加强开挖时地层沉降控制达到控制地表沉降的目的。上台阶开挖后1.0D范围内的地表累计沉降约为8 mm，而在1.0~2D范围内，地表累计沉降约为6 mm，在2~3D 范围内，地表累计沉降约为4 mm。因此地表累计沉降主要是在2D范围内产生。

图6 监测主断面地表累积沉降曲线

图7随掌子面推进地表沉降速度趋势

由图7可知，隧道掌子面在超过监测断面1.0D范围内，其地表变形速率增长呈正加速度变化，这期间，地表变形急速增加；而在达到1.0~3D 的范围内，地表变形速率开始放慢呈负加速度增长，超出3D后，加速度趋向于零，地表沉降进入缓慢变形阶段。

4结论

（1）通过对掌子面穿越主监测面前后的监测数据可以得出在掌子面距离监测断面前后0.5D 拱顶下沉、隧道收敛值都较小，此后拱顶下沉、隧道收敛以及地表下沉以较大速率增长，但过监

测面0.75D 后变形速率趋于平缓，进入了稳定阶段，这归结于初期支护，以及上半台阶的周边小导管注浆的作用。为今后施工初期支护以及导管注浆的时间提供了技术支持。

（2）对浅埋软弱地层，尤其是富水含砂地层中或有上层滞水存在的土层中，砂层松散和孔隙水流失都会造成地表沉降加剧，拱顶下沉增加，在施工中应引起足够的重视，及时支护并控制地下水的流失以减小地表的沉降。在这种条件下，管线漏水情况也要高度重视。

（3）在掌子面通过监测主断面前后0.5D 范围内，沿隧道开挖方向地表沉降最大值超前发生于主断面，但数值小于主断面。隧洞开挖对于纵向地表沉降的影响最大的范围在4~4.5D 范围内。

（4）在现有地质条件下，地表沉降主要受施工开挖的影响，地表累计沉降主要发生在掌子面

视，超出3D 后，地表变形速率趋于平缓。

参 考 文 献

[1] GB 50157-2003, 地铁设计规范[S].

[2] 钟有信, 罗草原. 浅埋暗挖地铁施工地层沉降监测

与控制[J]. 西部探矿工程, 2003, (4): 91-93. [3] 张顶立, 黄 俊. 地铁隧道施工拱顶下沉值的分析

与预测[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(10): 1703-1707.

[4] 方克军. 北京地铁暗挖车站施工地表沉降统计及分

析[J]. 山西建筑, 2005, 31(13): 91-92.

[5] 翁汉民. 地下工程量测与试验[M]. 成都: 西南交通

大学出版社, 1989.

Earth’s Surface Settlement Analysis and Research in Metro Construction by

Underground Cutting with Shallow Overburden

WANG Shao-jun 1, WANG Wei 1, LIU Shao-jun 2

(1.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;

2. BeiJing Quality Inspection Center, BeiJing 100045, China)

Abstract: With a great of underground being builded in many megapolis,the method of underground cutting with shallow overburden has wide foreground.Taking the bidirectional tunnel of the fifth metro in beijing ,which is construct by underground cutting with shallow overburden.By analysing and researching the measure data in spot, it concludes the change trend of the earth’s surface, settlement speed and the vault crown setllement in the Quaternary sediments.In the range from 0.5D to 0.75D of controlled face, the earth’s surface settlement speed rises greatly, initial lining-board should be shoring in this range in time. Accumulative total earth’s surface settlement happen in the range of 2D Beyond of 3D, the speed of earth’s surface distortion goes to smooth.Along to the portrait of the tunnel, the max earth’s surface settlement arise ahead of the main face,the most effect take place in the range of 4~4.5D.The analysis results have great use for reference to later metro construction and controllment to the metro construction environment in the same stratum in Beijing.

Key words : underground cutting with shallow overburden; the earth’s surface settlement; vault crown

settlement