趙 予

（中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

城市軌道交通是城市立體交通網(wǎng)絡的重要組成部分，在我國近10 年中得到了大量興建，特別是在人口密集、經(jīng)濟發(fā)達的一線和二線城市，地鐵線路從零線向成網(wǎng)發(fā)展，并逐步擴展到城市郊區(qū)和相鄰市域[1]。軌道交通的快速發(fā)展也給地下工程的發(fā)展帶來了很多機遇，新的隧道施工工藝、施工設備得以大量應用。而在城區(qū)中，受到敏感環(huán)境的制約以及場地空間的限制，盾構設備施工存在困難，而傳統(tǒng)的暗挖施工工法具有較強的適用性，成為局限條件下的施工手段之一[2]。但暗挖隧道的上覆土層較薄時，施工容易受到擾動，控制地層變形是保證地表建筑物和道路交通結構安全的重要前提，因此研究淺埋暗挖法地鐵隧道施工引起的地表沉降規(guī)律具有十分重要的意義。

1 工程概況

四川省成都市地鐵8 號線整體呈東北西南走向，線路全長29.1km，線路起于十里店站，終于蓮花站，線路設計運行最高時速為80km/h，共設有25 座車站，24 個區(qū)間。地鐵8 號線某區(qū)間隧道采用淺埋暗挖法施工，施工段落長度為2200m，隧道斷面呈馬蹄形，輪廓外直徑為6.5m，左右線隧道間距為35m，隧道埋深較淺，區(qū)間埋深為6m~8m，局部小于6m，屬于淺埋隧道。隧道穿越密集城中居民區(qū)和交通要道，地表道路和建筑物容許變形嚴格，因此對淺埋暗挖隧道的變形施工控制提出了較高的要求。經(jīng)地質(zhì)鉆探揭露，場區(qū)地基土主要為①層耕填土（0.30m~5.10m）、①-1淤泥質(zhì)土（0.20m~0.60m）、②-1 層粉質(zhì)黏土（1.10m~7.10m）以及②層粉質(zhì)黏土（0.50m~6.20m）。經(jīng)現(xiàn)場取樣和室內(nèi)試驗，場地內(nèi)各層巖土的物理力學指標及技術參數(shù)見表1。隧道洞身主要穿越②-1 層粉質(zhì)黏土和②層粉質(zhì)黏土。

表1 場地內(nèi)各層巖土的物理力學指標及技術參數(shù)

從表1 可以看出，各土層的力學強度指標存在明星的差異，土層黏聚力和內(nèi)摩擦角按照①-1 層淤泥質(zhì)土、②-1層粉質(zhì)黏土、②層粉質(zhì)黏土、③-1 層黏土和③層黏土的順序不斷增加。其中，①-1 層淤泥質(zhì)土和②-1 層粉質(zhì)黏土的力學強度軟弱，黏聚力和內(nèi)摩擦角指標較小。①-1 層淤泥質(zhì)土和②-1 層粉質(zhì)黏土的黏聚力分別為10kPa、18kPa，內(nèi)摩擦角分別為5.0°和11.2°。

2 淺埋暗挖隧道施工地表沉降的經(jīng)驗計算公式

在隧道工程的施工地表沉降計算中，Peck 等人經(jīng)過大量的工程實踐提出了具有典型高斯曲線特征的地表沉降計算方法，如公式（1）所示[3-4]。

式中：Sx為隧道橫截面地表任意位置的沉降值，mm；Smax為隧道橫截面地表最大沉降值（一般在隧道中心位置），mm；x為地表上的坐標，m；i為地表高斯沉降槽寬度，mm。

Peck 理論沉降曲線具有明顯的對稱性，其計算過程對地層的各向異性進行了理想化，認為地層為典型的彈性體且地層連續(xù)和各項異性，該計算方法與實際監(jiān)測結果往往存在差異，但由于其計算方法簡單，在工程時間中仍有一定應用[5]。

為了解釋淺埋暗挖隧道施工引起地表沉降的機理，Burland 等人基于物質(zhì)守恒定律，認為地表的沉降是由隧道地層損失導致的，其沉降產(chǎn)生的空間和土層壓密空間與隧道開挖的土體體積一致，因此得到的計算地表沉降的理論方法如公式（2）所示[6-7]。

式中：V為隧道開挖引起的地層損失率，%；D為淺埋暗挖隧道的外輪廓直徑。

3 淺埋暗挖隧道施工地表沉降監(jiān)測結果分析

當里程為ZDK100+230~ZDK100+730 時，沿著隧道縱軸線方向共布置5 條地表沉降監(jiān)測線，分別為隧道中心軸線在地表的投影位置（CJJC01）、隧道中心軸線左側5m（CJJC02）、隧道中心軸線右側5m（CJJC03）、隧道中心軸線左側10m（CJJC04）和隧道中心軸線左側10m（CJJC05）。監(jiān)測結果如圖1所示。從圖1 可以看出，5 條地表沉降監(jiān)測線的沉降值均呈現(xiàn)明顯的劇烈分布，但其分布規(guī)律在局部存在一定程度的差異。當里程為ZDK100+230~ZDK100+300 時，5 條地表沉降監(jiān)測線的沉降值變化趨勢較為一致，98%的累計沉降量落在10mm~30mm。當里程為ZDK100+300~ZDK100+200 時，5條地表沉降監(jiān)測線的沉降值變化劇烈，起伏較大，這是因為該區(qū)間的地層存在明顯的空間變異性，兵存在粉砂、粉土夾薄層，施工時極易受到擾動而引發(fā)地表沉降。當里程為ZDK100+300~ZDK100+670 時，5 條地表沉降監(jiān)測線的沉降值變化趨勢較為一致，95%的累計沉降量落在18mm~60mm，局部里程段即ZDK100+560~ZDK100+580段的累計沉降量略小。當里程為ZDK100+670~ZDK100+730 時，5 條地表沉降監(jiān)測線的沉降值變化趨勢存在一定差異，隧道軸線右側10m 測線處的沉降值明顯偏大，其變化劇烈，沉降量極值達到194mm，其余4 條測線的沉降值變化規(guī)律較為一致，95%的累計沉降量落在18mm~60mm。

圖1 沿著隧道縱軸線不同監(jiān)測線的地表沉降曲線

沿著隧道縱軸線方向布置的5 條地表沉降監(jiān)測線沉降值按區(qū)間統(tǒng)計分布結果如表2 和圖2 所示。從圖2 可以看出，5 條地表沉降監(jiān)測線沉降值分段統(tǒng)計規(guī)律較為一致，沉降值均集中在較小的范圍內(nèi)且每個分段區(qū)間的頻次基本接近。5 條地表沉降監(jiān)測線沉降頻次最高的區(qū)間位于10mm~30mm，頻次均大于230 次，其次位于30mm~50mm（頻次72 次~153 次），而0mm~10mm（頻次41 次~94 次）和50mm~70mm（頻次26 次~48 次）的頻次緊隨其后，其余區(qū)間的頻次均較小。這表明采用地鐵隧道淺埋暗挖法施工時，除了應該關注一些地表沉降極值外，沉降值集中的區(qū)段也應引起注意，在這個區(qū)段的沉降中投入治理經(jīng)費或采取加固措施可以取得事半功倍的效果[8]。

圖2 沿著隧道縱軸線不同監(jiān)測線的地表沉降分段統(tǒng)計

表2 沿著隧道縱軸線5 條監(jiān)測線的地表沉降分段統(tǒng)計結果

5 條監(jiān)測線在里程CZK100+420m 位置累計地表沉降隨時間的變化監(jiān)測結果如表3 和圖3 所示。從圖3 可以看出，5 條監(jiān)測線在里程CZK100+420m 位置的累計地表沉降值均呈現(xiàn)出較為一致的變化規(guī)律，為明顯的“S”型。在淺埋隧道開挖初期20d 內(nèi)，地表沉降值較小，均小于1mm。在淺埋隧道開挖20d 至60d 內(nèi)，地表沉降值隨著開挖時間的增加而不斷增加，5 條監(jiān)測線的地表沉降值增加速率有所不同。在淺埋隧洞開挖60d 至70d 內(nèi)，地表沉降值隨著開挖時間的增加而趨于收斂穩(wěn)定，5 條監(jiān)測線的最終沉降值大小有所不同。隧道軸線地表投影處的地表沉降值最大，為34.5mm，距離地表軸線越遠，其地表沉降值也越小。以隧道軸線左側為例，當距離隧道軸線為5m 時，隧道最終沉降值為32.22mm。而當距離隧道軸線為10m 時，隧道最終沉降值為30.09mm。在距離隧道軸線相同的位置，隧道左側的最終沉降值明顯大于隧道右側的沉降值。例如當距離隧道軸線為5m 時，隧道左側的最終沉降值為32.22mm，而在隧道右側的最終沉降值為27.83mm。這與Peck 理論沉降曲線的對稱性有明顯不同，其是由地層條件的隨機性、不均勻性和空間變異性導致的，同時施工過程中開挖速率和開挖步驟也會影響地表的沉降分布。

圖3 5 條監(jiān)測線里程CZK100+420m 位置的地表沉降隨時間的變化曲線

表3 5 條監(jiān)測線里程CZK100+420m 位置的地表沉降時程監(jiān)測結果

5 條監(jiān)測線里程CZK100+420m 位置地表沉降實測值與理論計算值對比見表4。從表4 可以看出，基于Peck 理論計算的沉降值和基于Burland 理論計算的沉降值均具有明顯的對稱性，處于隧道軸線位置的沉降值為最大，處于兩側的則隨著離隧道軸線距離的不斷增加而不斷下降。將基于Peck 理論計算的沉降值、基于Burland 理論計算的沉降值與實測沉降值進行對比可發(fā)現(xiàn)實測沉降值呈現(xiàn)明顯的不對稱性。處于隧道中心位的基于Peck 理論計算的沉降值和基于Burland理論計算的沉降值均比實測沉降值大；出于隧道軸線兩側的基于Peck 理論計算的沉降值和基于Burland 理論計算的沉降值比實測沉降值小且在隧道左側10m 處的誤差最大。

表4 5 條監(jiān)測線里程CZK100+420m 位置地表沉降實測值與理論計算值的對比

4 結論

該文以四川省成都市地鐵8 號線某淺埋暗挖法隧道區(qū)間為研究對象，運用理論分析和現(xiàn)場實測的方法分析淺埋暗挖隧道地表縱向沉降與橫向沉降的演變規(guī)律，得出的結論如下：1）在隧道縱向上，5 條地表沉降監(jiān)測線的沉降值均呈現(xiàn)明顯的劇烈分布，但其分布規(guī)律在局部存在一定程度的差異，沉降值頻次最高的區(qū)間位于10mm~30mm，其次位于30mm~50mm，而0mm~10mm 和50mm~70mm 的頻次緊隨其后，其余區(qū)間的頻次均較小。2）在時間特性上，5 條監(jiān)測線在里程CZK100+420m 位置的累計地表沉降值均呈現(xiàn)出較為一致的變化規(guī)律，為明顯的“S”形。在距離隧道軸線相同的位置，隧道左側的最終沉降值明顯大于隧道右側的沉降值。3）將基于Peck 理論計算的沉降值、基于Burland 理論計算的沉降值與實測沉降值進行對比可發(fā)現(xiàn)實測沉降值呈現(xiàn)明顯的不對稱性。處于隧道中心位的基于Peck 理論計算的沉降值和基于Burland 理論計算的沉降值均比實測沉降值大；出于隧道軸線兩側的基于Peck 理論計算的沉降值和基于Burland 理論計算的沉降值比實測沉降值小且在隧道左側10m 處的誤差最大。