武漢地鐵羅園區間隧道施工地表沉降監測與分析

葉 紅 陳燕平

(1.武漢交通職業學院交通工程系，湖北武漢 430065;2.武漢交通職業學院藝術系，湖北武漢 430065)

地鐵隧道工程的建設過程，給人們的生活帶來一定的安全隱患，一般會引起地表、建筑物的沉降，嚴重時會造成塌陷。例如，2007年3月28日北京地鐵10號線工程發生塌方[1]，2008年1月17日，廣州地鐵5號線施工中突然涌水，發生塌方，導致珠江大橋引橋下的雙橋路旁地面突然下陷[2]，造成了巨大的經濟損失和社會影響。因此，為了精確的預測出由于地鐵隧道開挖引起的地表沉降值、沉降影響范圍，很有必要通過工程實例來對城市地鐵隧道施工所引起的地表沉降進行研究。

1 工程概況

武漢市軌道交通羅園區間隧道采用單圓盾構法施工，隧道直徑為6 m，埋深約9.492 m～16.2 m。該區間隧道建場地地形平坦，坡降較緩，地表絕對高程一般在20.09 m～22.93 m之間，地貌為堆積平原區，屬長江沖積Ⅰ級階地。場地分布地層為:雜填土，厚度0.4 m ～2.2 m;素填土，厚度 0.4 m ～ 2.8 m;粉質粘土，厚0.8 m ～4.6 m;粉質粘土，厚 1.0 m ～5.3 m;粉質粘土夾粉土、粉砂，厚1.1 m ～6.8 m;粉質粘土、粉土、粉砂互層，厚1.3 m ～6.5 m;粉細砂，厚 4.7 m ～12.5 m;粉質粘土，厚 0.5 m ～5.8 m;細砂，厚11.0 m ～17.5 m;中粗砂夾礫卵石，厚 0.5 m ～2.5 m;強風化泥質砂巖，厚1.5 m～9.6 m;中風化泥質砂巖，最大揭露厚度19.1 m;強風化砂礫巖，厚6.1 m ～9.0 m;中風化砂礫巖，厚2.0 m ～6.0 m。羅園區間隧道上層滯水水位埋深一般為1.4 m～3.8 m，穩定水位埋深為1.1 m～3.3 m;承壓水測壓水頭標高一般為18.5 m～20.0 m左右，承壓水頭標高年變化幅度在3.0 m～4.0 m之間。

2 地表沉降監測方法

為了確保羅家港站至園林路站區間隧道在開挖過程中的施工安全，在隧道上方的地表布置了地表沉降點，如圖1所示;通過觀察地表沉降了解隧道施工對周邊環境的影響情況以及對結構的穩定性進行評價。地表沉降點在埋設工程中，直接將道釘打入設計位置處的地表，如圖2所示。在監測過程中，采用精密水準儀，按國家二等水準要求觀測，以此確保監測結果的準確性。

3 計算方法

對于地鐵施工引起的地表沉降的計算方法一般是經驗法，這種方法在巖土工程勘察和試驗的基礎上，根據地鐵隧道埋深、隧道上方巖土體的力學性質、施工方法及水位條件等，利用理論分析[3]和經驗公式[4]計算地表沉降值和地表沉降范圍。柳厚祥[5]給出了經驗公式:

其中，H為隧道埋深;D為隧道直徑;K為地表沉降寬度系數，一般取0.4～0.55;c為隧道上方覆土的凝聚力;φ為隧道上方覆土的內摩擦角。

圖1 地表沉降點分布圖（單位：m）

圖2 地表沉降點埋設示意圖

4 計算值與實測值的數據比較

考慮到實際施工情況，隧道直徑為6 m，羅園區間某段隧道上方覆土層厚度平均為12 m，該段覆土層主要以砂土為主。通過地質勘察報告得到該段上方覆土層凝聚力的平均值和內摩擦角的平均值，分別為:c=17.8 kPa，φ =33°;在式(2)中，K=0.45，γ =20 kN/m3。

對該區間隧道開挖引起的地表沉降的計算采用柳厚祥的經驗公式得到地表沉降計算值，將計算結果與實測值進行比較，以此來研究隧道施工對地表沉降的影響。其中掌子面后方8 m實測數據為監測2個月的數據采集，掌子面處實測數據為監測15 d的數據采集，掌子面前方4 m實測數據為監測15 d的數據采集。

圖3表示隧道距離掌子面8 m處已開挖隧道的地表沉降分布圖，圖4表示掌子面處地表沉降分布圖，圖5表示掌子面前方4 m處未開挖斷面的地表沉降分布圖。由圖3～圖5可以看出，位于隧道中軸線處的地表沉降值最大，且離隧道中軸線距離越遠地表沉降值越小，隧道開挖后掌子面前后的地表沉降值相差比較大。

另外由圖3～圖5也可以看出按柳厚祥給出的經驗公式得到的地表沉降曲線分布圖與實測值得到的結果非常接近，但是它們之間還存在一定的差異，這主要是因為覆土層的覆蓋層地質分布不均造成的，另外，監測的時間過短及監測存在的誤差也造成了一定的影響。

圖3 隧道掌子面后方8 m處地表沉降值比較示意圖

圖4 隧道掌子面處地表沉降值比較示意圖

圖5 隧道掌子面前方4 m處地表沉降值比較示意圖

5 結語

在本文中，對羅園區間隧道某段開挖引起的地表沉降分別進行了理論分析和實測，通過對比發現計算值較實測值大，存在一定的差值，但是差值不是非常大，且地表沉降計算分布曲線和實測分布曲線的變化規律是一樣的，說明地表沉降計算值可以為地鐵隧道開挖施工給予一定的指導。

[1] 王云崗，熊 凱，凌道盛.基于平動加轉動運動場的邊坡穩定上限分析[J].巖土力學，2010，31(8):2619-2624.

[2] 周純杰，黃雄峰，秦元慶，等.無線傳感網絡施工隧道安全監控系統軟件設計與實現[J].計算機工程與設計，2011，32(7):2501-2504.

[3] 莫 云.武漢地鐵施工引起地面沉降預測方法研究——以武漢地鐵廣埠屯至名都站區間為例[D].北京:中國地質大學碩士學位論文，2010.

[4] 吳建儒.潛盾隧道開挖面穩定與周圍土壓力之離心模擬[D].北京:國立中央大學碩士畢業論文，2001.

[5] 柳厚祥.地鐵盾構施工誘發地層移動機理研究與控制研究[D].西安:西安理工大學博士學位論文，2008.