王家琛，趙建昌，劉欣洋，劉偉偉

（蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730000）

隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展， 地鐵給人們生活帶來了極大的便利，但同時在地鐵修建過程中出現(xiàn)的安全事故，如開挖過程中出現(xiàn)的隧道塌陷、地下管線變形、地表建筑物傾斜倒塌事故等時有發(fā)生，造成了許多不良社會影響。為了預(yù)防安全事故發(fā)生，施工過程中必須對隧道開挖造成的沉降采取行之有效的監(jiān)控措施來確保施工安全高效地進行，國內(nèi)外有許多學者對暗挖隧道施工造成地層擾動的規(guī)律做了大量研究[1-7]。

哈爾濱位于我國的高寒地區(qū)，最冷月平均溫度為-19.7℃，最大凍土深度為1.97 m，凍土層每年3月中旬開始解凍，到6月初徹底解凍。在這樣的高寒環(huán)境條件下，地鐵隧道施工的沉降監(jiān)測工作對施工安全尤為重要。以哈爾濱軌道交通3號線2期湘會暗挖區(qū)間隧道施工為工程背景，以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究隧道采用臺階法開挖時造成地表沉降和隧道拱頂沉降的變化規(guī)律，并分析施工步序?qū)绊敵两诞a(chǎn)生的影響，其結(jié)果可對高寒地區(qū)地鐵隧道施工監(jiān)控提供參考。

1 工程概況

哈爾濱市軌道交通3號線2期湘會區(qū)間，自湘江路站起，自南向北沿紅旗大街敷設(shè)至會展中心站止。區(qū)間右線起點里程為 DK20+656.781，終點里程為DK21+381.884，右線長度723.803 m；左線起點里程為DK20+656.781，終點里程為DK21+382.621，左線長度721.489 m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，區(qū)間隧道所處地層從上到下依次為地表雜填土、粉質(zhì)黏土、砂層，地層穩(wěn)定、連續(xù)。場地內(nèi)含水層為第四系砂礫石孔隙含水層，主要賦存于第四系中更新統(tǒng)下荒山組沖積層和下更新統(tǒng)東深井組冰水堆積層的砂層中，區(qū)段地下水類型主要為孔隙承壓水。

1.1 研究區(qū)段概況

研究區(qū)段隧道拱頂埋深為13 m，隧道開挖最大高度6 510 mm，最大寬度6 200 mm。隧道開挖基本在粉質(zhì)黏土層中進行，小部分區(qū)段開挖面底部位于粉質(zhì)黏土層與砂層交界處。隧道開挖前設(shè)置超前小導(dǎo)管注漿，隧道內(nèi)初期支護采用鋼格柵掛網(wǎng)噴錨支護體系。區(qū)間隧道采用臺階法施工，分為上下兩級臺階，預(yù)留核心土，隧道開挖斷面如圖1所示。

隧道設(shè)計支護主要參數(shù)為：拱部120°范圍內(nèi)設(shè)置超前小導(dǎo)管，φ42@300 m，長度2.5 m，兩榀一打，預(yù)注漿液；單層φ6@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)；縱向聯(lián)結(jié)筋φ22，間距1 m，內(nèi)外雙排；鋼格柵間距0.75 m；噴射混凝土強度為C25。開挖步序如圖2所示：第1步上臺階開挖；第2步上臺階支護；第3步核心土開挖；第4步下臺階開挖；第5步下臺階支護。

圖1 隧道開挖斷面Fig.1 Diagram of tunnel working face

圖2 隧道開挖步序Fig.2 Process flow of tunnel excavation

1.2 監(jiān)測點布置說明

區(qū)間隧道每10 m布置一個監(jiān)測斷面，在32排和33排之間布置有地下水位監(jiān)測點DXS-3，地表監(jiān)測點布置如圖3所示。隧道縱向開挖監(jiān)測點布置如圖4所示，隧道橫向監(jiān)測點布置如圖5所示?，F(xiàn)場測量儀器及控制值見表1，地層分布情況見表2。地鐵施工順序為先施工右線小里程方向，再施工左線大里程方向。

圖3 地表監(jiān)測點布置Fig.3 Layout map of surface monitoring points

圖4 隧道開挖縱向監(jiān)測點布置Fig.4 Layout of longitudinal monitoring points for tunnel excavation for tunnel excavation

圖5 隧道開挖橫向監(jiān)測點布置Fig.5 Layout of transverse monitoring points for tunnel excavation

表1 現(xiàn)場測量儀器及控制值Tab.1 Measuring instruments and control values

表2 隧道開挖土層參數(shù)Tab.2 Properties of soil layers

由于哈爾濱地處我國高寒地區(qū)，冬季氣溫極低，地表監(jiān)測點內(nèi)鋼筋會由于土體發(fā)生凍脹而產(chǎn)生較大的抬升，而到春季氣溫回升后監(jiān)測點內(nèi)鋼筋又會發(fā)生較大的下沉，對監(jiān)測結(jié)果造成影響。故在高寒地區(qū)進行監(jiān)測作業(yè)時，需要采取以下措施保證監(jiān)測精度：1)在布設(shè)地表沉降監(jiān)測點時，監(jiān)測點內(nèi)鋼筋一定要穿透最大凍土層深度，避免凍脹對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響；2)進行除水作業(yè)，避免監(jiān)測點內(nèi)積水結(jié)冰凍住保護蓋和鋼筋；3)若監(jiān)測點內(nèi)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象應(yīng)先除冰再進行監(jiān)測，除冰過程中不得對鋼筋本身造成擾動；4)從基點引出高程時，應(yīng)對尺墊放置的路面進行除冰，不得將尺墊直接放置于冰面上；5)在監(jiān)測進行前應(yīng)對監(jiān)測設(shè)備進行預(yù)冷，監(jiān)測過程中注意及時除去鋼尺底部的結(jié)冰。

2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 縱向地表

2.1.1 縱向地表沉降規(guī)律分析

地表沉降監(jiān)測點32-0累計沉降值變化曲線如圖6所示，實測最大累計沉降值為-11.35 mm。32-0監(jiān)測點沉降曲線可以劃分為4個階段：第1階段為上臺階進尺0～10 m的微小沉降階段，此階段上臺階掌子面從監(jiān)測斷面前20 m推進到監(jiān)測斷面前10 m處；第2階段為上臺階掌子面進尺10～30 m的急劇沉降階段，此階段上臺階掌子面從監(jiān)測斷面前10 m推進到監(jiān)測斷面后10 m處；第3階段為上臺階掌子面進尺30～50 m的緩慢沉降階段，此階段上臺階掌子面推進到監(jiān)測斷面后30 m處；第4階段為上臺階進尺50 m以后的沉降穩(wěn)定段，此時上臺階掌子面推進到監(jiān)測斷面30 m以后。不同沉降階段累計沉降數(shù)值見表3。

圖6 地表32-0監(jiān)測點累計沉降值Fig.6 Accumulated settlement curve of monitoring point 32-0

表3 32-0監(jiān)測點不同階段累計沉降值Tab.3 Accumulated settlement at different stages of monitoring point 32-0

地表沉降監(jiān)測點33-0累計沉降值變化曲線如圖7所示，實測最大累計沉降值為-11.42 mm。圖中結(jié)果表明，地表33-0監(jiān)測點沉降曲線也可以劃分為4個階段：第1階段為上臺階進尺10～20 m的微小沉降階段，此階段上臺階掌子面從監(jiān)測斷面前20 m推進到監(jiān)測斷面前10 m處；第2階段為上臺階掌子面進尺20～40 m的急劇沉降階段，此階段上臺階掌子面從監(jiān)測斷面前10 m推進到監(jiān)測斷面后10 m；第3階段為上臺階掌子面進尺40～60 m的緩慢沉降階段，此階段上臺階掌子面推進到監(jiān)測斷面后30 m處；第4階段為上臺階掌子面進尺60 m以后的沉降穩(wěn)定段，此時上臺階掌子面推進到監(jiān)測斷面30 m以后。不同沉降階段累計沉降值見表4。

圖7 地表33-0監(jiān)測點累計沉降值Fig.7 Accumulated settlement curve of monitoring point 33-0

表4 33-0不同階段累計沉降值Tab.4 Accumulated settlement at different stages

地下水位監(jiān)測點 DXS-3在隧道開挖過程中水位變化情況如圖8所示。在隧道開挖過程中，監(jiān)測點附近的地下水位在隧道上臺階進尺0～10 m時下降最為明顯，在上臺階進尺10 m后水位持續(xù)下降但下降速度明顯減緩。

圖8 DXS-3監(jiān)測點水位變化Fig.8 Groundwater level variation curve of DXS-3 monitoring point

通過對以上兩個地表沉降監(jiān)測點累計沉降值變化規(guī)律以及附近地下水位變化情況的分析得出，以上兩個監(jiān)測點表現(xiàn)出了相同的沉降規(guī)律特征，即在上臺階掌子面推進到距監(jiān)測斷面前10～20 m(前1.6 B～3.2 B)范圍時，監(jiān)測斷面處的地表會產(chǎn)生微小的沉降，此階段的地表沉降主要是由于隧道掌子面開挖對前方土體造成了擾動以及施工段地下水位下降造成開挖前方土體失水固結(jié)產(chǎn)生的。在隧道上臺階掌子面通過監(jiān)測斷面前10 m到通過監(jiān)測斷面后10 m(前1.6 B～后1.6 B)范圍內(nèi)，監(jiān)測斷面處地表會產(chǎn)生較大的沉降變形，通常此階段沉降值占到總沉降值的60%以上，沉降較大的原因是監(jiān)測點下方土體的開挖直接造成了原土體邊界條件改變，引起土體應(yīng)力重分布，導(dǎo)致土體變形較大。在上臺階掌子面推進到監(jiān)測斷面后10～30 m(后1.6 B～4.8 B)范圍內(nèi)，此階段內(nèi)監(jiān)測斷面處地表沉降仍在繼續(xù)，但是趨勢明顯減緩，累計沉降值通常占總沉降值的20%左右。當上臺階掌子面推進到監(jiān)測斷面30 m (4.8 B)以后，該監(jiān)測斷面處地表沉降進入穩(wěn)定階段。

故在現(xiàn)場進行施工監(jiān)測作業(yè)時，在隧道縱向方向，當上臺階掌子面通過監(jiān)測斷面前1.6 B到通過監(jiān)測斷面后4.8 B范圍內(nèi)時，應(yīng)對該監(jiān)測斷面處的地表沉降加強量測，當上臺階掌子面通過監(jiān)測斷面4.8 B以后，可酌情減少該斷面地表沉降監(jiān)測頻率。

2.1.2 凍融對縱向地表沉降影響

右線小里程方向隧道于5月初開始施工，到上臺階進尺50 m時，整個施工過程均處于凍土融化期內(nèi)。左線大里程方向隧道于6月初開始施工，在隧道施工過程中凍土層已基本融化。

為了研究凍土融化對地表沉降造成的影響，將右線小里程監(jiān)測點27-0和左線大里程監(jiān)測點32-0的累計沉降值進行對比，其曲線如圖9所示。凍融期施工隧道在上臺階到達監(jiān)測斷面前，27-0監(jiān)測點處地表就已經(jīng)產(chǎn)生了較大沉降。當隧道上臺階通過監(jiān)測點下方時，27-0監(jiān)測點處的累計地表沉降大小和沉降速率明顯大于32-0監(jiān)測點。當兩條隧道上臺階進尺分別達到50 m時，27-0監(jiān)測點累計沉降值為56.05 mm，32-0監(jiān)測點累計沉降值為11.32 mm，相差接近5倍。

圖9 監(jiān)測點32-0和27-0累計沉降值對比Fig.9 Comparison of cumulative settlement values between monitoring points 32-0 and 27-0

隨著凍土層的解凍，右線小里程隧道施工過程中出現(xiàn)了滲水、涌砂等的現(xiàn)象，施工方及時采取加密鋼格柵間距和增加臨時仰拱等方法保證施工安全，減小了凍融給隧道施工帶來的影響。

2.2 橫向地表沉降規(guī)律分析

2.2.1 橫向地表沉降范圍分析

第32排、33排地表沉降監(jiān)測點橫向沉降曲線如圖10所示。圖中結(jié)果表明，位于隧道中線正上方處地表沉降變化最為明顯，地表最大沉降值隨著距隧道中線的距離增加而減小，距隧道中心線兩側(cè)20 m(3.2 B)范圍外的地表沉降值很小，具體數(shù)值見表5。

故在現(xiàn)場監(jiān)測時，在隧道開挖橫向方向，應(yīng)對距隧道中心線3.2 B范圍內(nèi)的地表沉降監(jiān)測點加強量測，對3.2 B范圍外的監(jiān)測點可適當減少監(jiān)測頻率。

圖10 第32、33排地表沉降監(jiān)測點最大沉降值Fig.10 Maximum settlement curve of row 32nd and 33rd monitoring points

表5 32、33排地表沉降值Tab.5 Surface settlement value of row 32nd and 33rd monitoring points mm

2.2.2 橫向地表沉降數(shù)學表達式

美國土力學家Peak 1969年在國際土力學大會上發(fā)表了基于正態(tài)分布曲線的方法。該方法是用來描述隧道開挖時橫向地表沉降槽最常用的方法之一。其公式表達為

式中，y為任意一點地表沉降值；ymax為地表最大沉降值(位于隧道中心線處)；x為曲線對稱中心到所計算點的距離；i為沉降槽寬度，即曲線對稱中心到曲線拐點之間的距離。

O’Reilly和New根據(jù)施工經(jīng)驗，得出

式中，k為沉降槽寬度系數(shù)，和不同的土壤類型有關(guān)；z0為隧道埋深。只要證明隧道橫向地表沉降曲線符合Peak公式，就能利用式(2)計算出當?shù)爻两挡蹖挾认禂?shù)k，為以后本地區(qū)類似土質(zhì)地鐵的修建提供參考。

將式(1)兩邊取對數(shù)，得到

圖 11 第32排 - ln ( y / y max)與x2關(guān)系散點圖及擬合曲線Fig.11 Scatter plot and curve fitting of - ln ( y / ymax)and x2

將所計算的i=10.2代回到式(1)，繪制出式(1)曲線與地表32排監(jiān)測點沉降曲線，如圖12所示，從圖中可以看出，計算結(jié)果曲線與實測結(jié)果曲線吻合較好。

2.3 隧道拱頂沉降變形分析

隧道拱頂沉降監(jiān)測點G32與上臺階掌子面開挖進尺的關(guān)系曲線如圖13所示。受到隧道開挖方式以及場地限制等原因，對隧道拱頂沉降的現(xiàn)場監(jiān)測要等開挖完成后才能進行，導(dǎo)致部分監(jiān)測數(shù)據(jù)損失。但G32正上方的地表沉降監(jiān)測點32-0并不受開挖方式限制，并且可以反應(yīng)其正下方拱頂沉降監(jiān)測點 G32的沉降情況，故用32-0的前期沉降數(shù)據(jù)來補足G32監(jiān)測前期所缺少的數(shù)據(jù)。

圖12 計算曲線與實測曲線對比Fig.12 Comparison between calculated curve and measured curve

圖13 G32累計沉降值Fig.13 Accumulated settlement curve of G32

圖13 中結(jié)果表明，隧道拱頂沉降變化曲線可以分為3個階段：第1階段為上臺階掌子面通過到監(jiān)測點前10～20 m(前1.6 B～3.2 B)范圍內(nèi)，此階段監(jiān)測點會有微小的沉降產(chǎn)生，分析認為此段沉降是由于開挖面對前方土體造成擾動以及地下水位下降土體固結(jié)產(chǎn)生的；第2階段為上臺階掌子面通過監(jiān)測點前10 m到通過監(jiān)測點后20 m(前1.6 B～后3.2 B)范圍內(nèi)，此階段拱頂沉降急劇增加，90%以上的沉降發(fā)生在此階段，分析認為由于監(jiān)測點下方土體的直接開挖導(dǎo)致土體邊界條件改變，引發(fā)了較大的變形；第3階段為上臺階掌子面通過監(jiān)測點20 m(后3.2 B)以后，此階段沉降基本保持穩(wěn)定。具體沉降數(shù)值見表6。

故在現(xiàn)場施工中，開挖上臺階前方土體時做好超前支護工作，在開挖完后盡快完成上臺階噴混等初期支護體系的設(shè)置并且在開挖完成后加強量測。在上臺階掌子面通過該監(jiān)測點3.2 B以后，可以酌情減少該拱頂沉降監(jiān)測點的監(jiān)測頻率。

表6 G32不同階段累計沉降值Tab.6 Accumulative settlement value of G32 in different stages

為了更好地分析隧道開挖步序?qū)绊敵两档挠绊?，隧道開挖步序與拱頂沉降監(jiān)測點G32累計沉降值變化關(guān)系如圖14所示。在隧道上臺階開挖的過程中，隧道拱頂沉降變化速率較快，在上臺階開挖完成設(shè)置初期支護以后，隧道拱頂沉降的變化速率明顯變小。說明在施工過程中，初期支護的設(shè)置能夠有效減小拱頂沉降的變化，防止隧道結(jié)構(gòu)變形。

圖14 拱頂累計沉降與開挖步驟關(guān)系Fig.14 Relationship curve between accumulative settlement of vault and excavation steps

3 結(jié)論

1) 隧道開挖時縱向地表沉降可以分為4個階段，主要沉降發(fā)生在上臺階掌子面通過監(jiān)測斷面前 1.6 B到通過監(jiān)測斷面后4.8 B范圍內(nèi)；高寒地區(qū)凍融現(xiàn)象會對地表沉降產(chǎn)生較大影響。

2) 隧道開挖時橫向地表沉降主要發(fā)生在距隧道中心線兩側(cè)3.2 B范圍內(nèi)，隧道拱頂正上方地表沉降最大，向隧道兩側(cè)沉降逐漸變小，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)確定沉降槽寬度參數(shù)k = 0.78，給出橫向地表沉降數(shù)學表達式，為日后同地區(qū)類似土質(zhì)地鐵修建提供參考。

3) 隧道開挖時拱頂沉降可以分為3個階段，沉降主要發(fā)生在上臺階掌子面通過監(jiān)測點前1.6 B到通過監(jiān)測點后3.2 B范圍內(nèi)，此階段內(nèi)的沉降值占到總沉降值的90%以上。

4) 在隧道開挖過程中，上臺階的開挖對隧道拱頂沉降影響最大，在上臺階開挖完成后及時設(shè)置初期支護體系能有效減小拱頂沉降速率；在凍融期施工的隧道必須考慮凍融帶來的影響，采取相應(yīng)措施減少凍融帶來的隱患，保證施工安全。