城市超淺埋隧道施工地表沉降規(guī)律研究

趙峰等

摘 要：隧道施工擾動(dòng)土層，必然造成相應(yīng)的地層變形，在不同條件下變形特點(diǎn)表現(xiàn)出較大差異。本文以廈門(mén)市明發(fā)商業(yè)廣場(chǎng)嘉禾路地下行車(chē)通道施工為依托，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)地表沉降的規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了城市超淺埋隧道施工過(guò)程中地表變形的基本規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了控制地表沉陷的施工措施。對(duì)類(lèi)似工程的施工具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：城市超淺埋隧道；地表沉降；監(jiān)控量測(cè)；淺埋暗挖

中圖分類(lèi)號(hào)：TU457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Tunnel construction disturbance of soil， will inevitably lead to the corresponding strata deformation， deformation characteristics under different conditions showed a greater difference. In this paper， Xiamen Mingfa Commercial Plaza lanes Jiahe underground construction as the basis， using field measurement method of surface subsidence patterns studied， come to the city over the course of shallow tunnel surface deformation of the basic law， in this construction measures proposed on the basis of the control surface subsidence. An important guiding significance for the construction of similar projects.

Keywords： City Super Shallow Tunnel； surface subsidence； Monitoring and Measurement； Shallow

1.前言

地下工程開(kāi)挖不可避免地對(duì)巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)，勢(shì)必引起地表沉降和變形，地表沉降達(dá)到一定程度時(shí)將影響地面建筑物的安全和地下管線的正常使用。因此在地面交通復(fù)雜、建筑及管網(wǎng)密集的城市中進(jìn)行隧道施工，地表變形規(guī)律及控制一直是人們關(guān)心的課題[1]。為有效地預(yù)防和減少隧道施工所引起的地表沉降和變形及其對(duì)周?chē)h(huán)境所造成的損害，有必要對(duì)地表變形規(guī)律進(jìn)行分析研究并由此作出正確預(yù)計(jì)[2]。

2.淺埋隧道上覆地層變形的基本規(guī)律

影響地表移動(dòng)和變形的因素很多，地表移動(dòng)和變形的大小不僅與隧道的埋深、斷面尺寸和施工方法、支護(hù)方式有關(guān)，而且受地層條件的影響。Peck（1969）通過(guò)對(duì)大量地表沉陷數(shù)據(jù)及工程資料分析后，首先提出地表沉降槽似正態(tài)分布的概念，認(rèn)為地層移動(dòng)由地層損失引起，在不排水情況下，隧道開(kāi)挖后所形成的地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積。提出地表沉降橫向分布的經(jīng)驗(yàn)估算公式為[3-6]：

3.工程概述

3.1工程概況

廈門(mén)市明發(fā)商業(yè)廣場(chǎng)嘉禾路地下行車(chē)通道是湖光路下穿嘉禾路連接明發(fā)商業(yè)廣場(chǎng)的地下行車(chē)通道工程。通道全長(zhǎng)128m，其中引道（U型槽）全長(zhǎng)58m，下穿嘉禾路段（淺埋暗挖段）長(zhǎng)59m，明挖暗埋段長(zhǎng)11m，通道凈寬6.6m，凈高3.0m。通道在下穿嘉禾路時(shí)采用淺埋暗挖法施工，開(kāi)挖斷面7.80m×5.10m，為平頂直墻式通道，隧道埋深極淺，覆蓋層最薄處僅1.79m。

3.2地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地原始地貌單元為筼筜港近岸沖洪積階地地貌，經(jīng)鉆探揭露，巖土層自上而下依次分別為雜填土（ ）、粉質(zhì)粘土（ ）、粗砂（ ）、殘積礫質(zhì)粘性土（ ）、全風(fēng)化花崗巖（ ）及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（ ），隧道穿越地層主要為雜填土和粉質(zhì)粘土。

應(yīng)用工程現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔原狀土，對(duì)其物力力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表1所示。

該隧道斷面形式為平頂矩形結(jié)構(gòu)，跨度大、超淺埋，受地面動(dòng)靜荷載影響大，且地中管網(wǎng)密集，開(kāi)挖中要嚴(yán)格控制地表沉降。從控制地層變形的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)采用控制地表沉降效果較好的CD工法，但由于該工法工序繁多，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜多變，施工中，結(jié)構(gòu)內(nèi)力亦經(jīng)多次應(yīng)力轉(zhuǎn)變，技術(shù)難度較大?？紤]到工期及工序問(wèn)題，根據(jù)有限元分析結(jié)果，提出采用全斷面開(kāi)挖的施工方法，開(kāi)挖時(shí)保留核心土，必要時(shí)加設(shè)臨時(shí)支撐。

4.隧道施工引起的地表變形規(guī)律

4.1變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隧道開(kāi)挖引起的地層變形從隧道結(jié)構(gòu)拱頂向上傳遞至地表，為進(jìn)一步分析地層變形規(guī)律以及地表沉降與拱頂下沉的關(guān)系，分別在隧道結(jié)構(gòu)拱頂以及隧道上方地表設(shè)置了沉降觀測(cè)點(diǎn)。拱頂沉降點(diǎn)布置在結(jié)構(gòu)頂板中線及左右各兩米位置，每斷面布置3個(gè)拱頂沉降測(cè)點(diǎn)；隧道結(jié)構(gòu)上方橫向地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)按開(kāi)挖影響范圍布置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本工程縱向監(jiān)測(cè)斷面在暗挖段共布置6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

4.2變形規(guī)律分析

1）地表沉降橫向分布規(guī)律

隧道施工引起的各監(jiān)測(cè)斷面地表沉降橫向分布規(guī)律基本相同，近似成一正太分布曲線。對(duì)比圖3中a、b兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面地表橫向沉降槽曲線可以看出，地表最大下沉位置在隧道軸心附近，向兩側(cè)逐漸減小，由于本隧道為平頂結(jié)構(gòu)，沉降槽頂點(diǎn)不一定正好位于軸心處。地表沉降槽的寬度為16m（約等于4i），在沉降槽的邊緣，地表沉降值已趨于零。根據(jù)式（2），沉降槽寬度與地面至隧道中心的深度即隧道埋設(shè)有關(guān)，隧道埋深越大，開(kāi)挖在地表的影響范圍越大，開(kāi)挖引起的地表沉降槽的寬度也越大，本隧道埋設(shè)最薄處僅1.79m，開(kāi)挖影響范圍約為通道開(kāi)挖寬度的2倍。

掌子面在監(jiān)測(cè)斷面前方2～3米約0.3～0.4倍B（通道寬度）時(shí)，就開(kāi)始下沉，當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，下沉速率急劇加大，最大達(dá)到17mm/d，當(dāng)掌子面超過(guò)監(jiān)測(cè)斷面約2B時(shí)，即6～10天后下沉曲線趨于平緩。在開(kāi)挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，該時(shí)段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

5.結(jié)論

超淺埋平頂隧道上覆地層的沉降關(guān)系與Peck（1969）等的研究類(lèi)似，地表沉降槽特性及變形規(guī)律符合地層特性、隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及淺埋暗挖法施工的實(shí)質(zhì)。

1）淺埋平頂隧道結(jié)構(gòu)，沉降槽頂點(diǎn)不一定正好位于軸心處，但均在軸心附近。地表沉降槽寬度約等于4i，開(kāi)挖影響范圍約為隧道開(kāi)挖寬度的2倍。

2） 掌子面開(kāi)挖影響前方地表的范圍約為0.3～0.4倍通道寬度，當(dāng)掌子面通過(guò)時(shí)，下沉急劇加大，當(dāng)掌子面通過(guò)約2倍通道寬度后，地表下沉逐漸減小。因此，淺埋隧道開(kāi)挖后應(yīng)立即支護(hù)，以預(yù)防地表沉陷。

3）隧道在開(kāi)挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，該時(shí)段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

4）本隧道埋深淺，上覆土層為素填土及粉質(zhì)粘土，開(kāi)挖引起地層損失較大，拱頂下沉及地表沉降均較大。因此，開(kāi)挖前進(jìn)行預(yù)加固極為重要，設(shè)置的密排長(zhǎng)管棚是本隧道能成功開(kāi)挖的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1] 陽(yáng)軍生、劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動(dòng)及變形[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

[2] 張頂立、黃俊.深圳地鐵淺埋暗挖隧道地層變形分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004.33（5）：578-583.

[3] R.B.Peck（1969.Deep excavations and tunneling in soft groundm state of the art report 7th Int.Cont.On Soil Mench.and Fdn Eng， Mexico City：225-290

[4] 魏建文.淺埋暗挖隧道地表沉降分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008.

[5] 王新征.既有鐵路下淺埋暗挖隧道地表沉降的控制與監(jiān)測(cè)[J].鐵道建筑，2008.11：32-34.

[6] 吳波、劉維寧.城市淺埋隧道施工性態(tài)的時(shí)空效應(yīng)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004.26（3）：340-343.

掌子面在監(jiān)測(cè)斷面前方2～3米約0.3～0.4倍B（通道寬度）時(shí)，就開(kāi)始下沉，當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，下沉速率急劇加大，最大達(dá)到17mm/d，當(dāng)掌子面超過(guò)監(jiān)測(cè)斷面約2B時(shí)，即6～10天后下沉曲線趨于平緩。在開(kāi)挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，該時(shí)段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

5.結(jié)論

超淺埋平頂隧道上覆地層的沉降關(guān)系與Peck（1969）等的研究類(lèi)似，地表沉降槽特性及變形規(guī)律符合地層特性、隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及淺埋暗挖法施工的實(shí)質(zhì)。

1）淺埋平頂隧道結(jié)構(gòu)，沉降槽頂點(diǎn)不一定正好位于軸心處，但均在軸心附近。地表沉降槽寬度約等于4i，開(kāi)挖影響范圍約為隧道開(kāi)挖寬度的2倍。

2） 掌子面開(kāi)挖影響前方地表的范圍約為0.3～0.4倍通道寬度，當(dāng)掌子面通過(guò)時(shí)，下沉急劇加大，當(dāng)掌子面通過(guò)約2倍通道寬度后，地表下沉逐漸減小。因此，淺埋隧道開(kāi)挖后應(yīng)立即支護(hù)，以預(yù)防地表沉陷。

3）隧道在開(kāi)挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，該時(shí)段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

4）本隧道埋深淺，上覆土層為素填土及粉質(zhì)粘土，開(kāi)挖引起地層損失較大，拱頂下沉及地表沉降均較大。因此，開(kāi)挖前進(jìn)行預(yù)加固極為重要，設(shè)置的密排長(zhǎng)管棚是本隧道能成功開(kāi)挖的關(guān)鍵。

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掌子面在監(jiān)測(cè)斷面前方2～3米約0.3～0.4倍B（通道寬度）時(shí)，就開(kāi)始下沉，當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，下沉速率急劇加大，最大達(dá)到17mm/d，當(dāng)掌子面超過(guò)監(jiān)測(cè)斷面約2B時(shí)，即6～10天后下沉曲線趨于平緩。在開(kāi)挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，該時(shí)段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

5.結(jié)論

超淺埋平頂隧道上覆地層的沉降關(guān)系與Peck（1969）等的研究類(lèi)似，地表沉降槽特性及變形規(guī)律符合地層特性、隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及淺埋暗挖法施工的實(shí)質(zhì)。

1）淺埋平頂隧道結(jié)構(gòu)，沉降槽頂點(diǎn)不一定正好位于軸心處，但均在軸心附近。地表沉降槽寬度約等于4i，開(kāi)挖影響范圍約為隧道開(kāi)挖寬度的2倍。

2） 掌子面開(kāi)挖影響前方地表的范圍約為0.3～0.4倍通道寬度，當(dāng)掌子面通過(guò)時(shí)，下沉急劇加大，當(dāng)掌子面通過(guò)約2倍通道寬度后，地表下沉逐漸減小。因此，淺埋隧道開(kāi)挖后應(yīng)立即支護(hù)，以預(yù)防地表沉陷。

3）隧道在開(kāi)挖期間地表下沉值約占地表總下沉值的46%；初支后至二襯施工前期間下沉量約占總下沉量的39%；二襯后，地表沉降仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，該時(shí)段的地表沉降值約占總下沉量的15%。

4）本隧道埋深淺，上覆土層為素填土及粉質(zhì)粘土，開(kāi)挖引起地層損失較大，拱頂下沉及地表沉降均較大。因此，開(kāi)挖前進(jìn)行預(yù)加固極為重要，設(shè)置的密排長(zhǎng)管棚是本隧道能成功開(kāi)挖的關(guān)鍵。

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[6] 吳波、劉維寧.城市淺埋隧道施工性態(tài)的時(shí)空效應(yīng)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004.26（3）：340-343.