礦山法施工地鐵隧道地表沉降分步控制研究

李世良 馬曉東

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050)

1 概述

礦山法[1，2]因借鑒礦山開拓巷道的方法而得名。按襯砌施工順序，可分為先拱后墻法及先墻后拱法兩大類。其開挖過程分為：爆破、清渣、支護，并依此步序循環施作，監測應貫穿于隧道開挖的整個過程[3-5]。

隧道施工必然會對周圍土體產生擾動，導致地表沉降。地表沉降量作為反映隧道施工安全的一項重要指標，在通常情況下，其控制值為30 mm，是一個貫穿整個施工過程的總量值，一般不做分段考慮。在采用礦山法施工的隧道工程中，誘發地表沉降的因素主要有[2-6]：施工擾動、回填土自密實過程、取土后支護不及時導致隧道頂部受力不平衡、爆破震動、地表動載影響等。以上各因素在隧道開挖的不同階段所引發的地表沉降量也不盡相同[4-7]。

前期盲目施工、支護不及時或者其他因素，易造成地表沉降量累計值過大。由此所產生的危害主要分為兩個部分[8，9]：①盡管地表沉降偏大，但沒有超控制值(此時不能進行預警)，這種情況下，無法對施工方進行約束，增大了開挖風險。②前期地表沉降過大，在隨后的開挖施工過程中，造成地表沉降總控制值超限，引發監測紅色預警，導致停工等嚴重后果。

為了避免這一現象發生，通過對某地鐵隧道地表沉降監測數據的分析，獲取礦山法暗挖隧道施工過程中各階段的地表沉降量及其規律。研究表明，分步控制地表沉降量的方式有效、可行。

2 監測數據分析

為直觀反映暗挖法隧道施工過程中，不同施工階段所引發的地表沉降量的情況，以某地采用礦山法進行地鐵隧道施工的實際監測數據為例進行分析。某地鐵隧道所處區域土質為軟土及回填土，隧道中線上方區域為城市郊區主干道，重載車輛較多。隧道采用上下臺階法開挖[10-12]。地表沉降監測在距離開挖工作面前3倍洞徑處開始進行，地表沉降控制值為30 mm。

圖1 DB104-1沉降量趨勢

圖2 DB104-3沉降量趨勢

圖1、圖2所示的曲線為布設于該隧道左右線中線上方地表沉降點DB104-1、DB104-3所對應的累計沉降曲線。由圖1、圖2可知，在開挖階段，兩點的監測數據都達到了預警的標準。尤其是進行上下臺階法施作時，存在一次進尺過長、支護不及時等情況，進而造成沉降速率過大，累計沉降超限，地表出現裂縫，引發紅色預警導致停工。

從以上分析可知，地表沉降累計值有明顯的分段現象存在。其中第一階段(1～41 d)沉降變形較平緩，地表累計沉降量約為6 mm；第二階段(41～49 d)變形較快，地表累計沉降量達到17 mm；第三階段(49～51 d)變形較小，地表累計沉降幾乎為0；第四階段(51～58 d)變形較快，其中監測點DB104-1的累計沉降量約為30 mm，監測點DB104-3的累計沉降量約為25 mm；第五階段變形逐漸趨于穩定。

3 地表沉降分步控制

對圖1、圖2中曲線變化趨勢進行分析，兩沉降監測點對應的沉降監測數據曲線所呈現出的變化趨勢與隧道施工進度相符合。

(1)第一階段對應開挖工作面前3倍洞徑處的沉降情況，誘發本階段地表沉降的主要原因是回填土自密實、地表重載車輛碾壓，次要原因是施工擾動。隨著工作面的前移，沉降速率受施工擾動的影響越來越大。整體上看，本階段的變形量貢獻率為17%。

(2)第二階段對應開挖工作面處于監測點正下方(上臺階開挖處的沉降情況)，沉降的主要原因是施工擾動、取土后支護不及時，導致隧道頂部受力不平衡；次要原因是回填土自密實及地表重載車輛碾壓，本階段沉降貢獻率為34%。

(3)第三階段對應支護完成后的沉降情況，本階段隧道受力基本達到平衡，沉降速率減緩，沉降幾乎為0。

(4)第四階段對應下臺階施作時的沉降情況，沉降原因與第二階段相同，其變形貢獻率為31%。

(5)第五階段對應初期支護成環后的沉降情況，本階段隧道整體受力平衡，且工作面逐步向前推進(已遠離監測點)，監測數據逐漸趨于穩定。

綜合以上分析可知，第二、第四階段貢獻了65%的變形值，應主要針對這兩個階段采取控制措施。

首先根據貢獻率確定施工各階段的允許變形值。其次，施工時進行實時監測，將累計沉降值與各階段允許變形值進行比較，根據對比結果，指導各階段施工。施工方可根據各階段控制值與實時監測數據的對比，調整進尺長度并及時支護，以減少施工擾動。

圖3為經過分階段控制后，某斷面地表沉降監測累計值時態曲線。從圖3可知，地表沉降累計值得到了有效控制，沒有超出30 mm的控制值。

圖3 分階段控制后某斷面累計沉降曲線

4 結論

(1)利用某地礦山法施工地鐵隧道地表沉降監測數據，分析各施工階段對應的地表累計沉降量相對總體沉降量的貢獻率，其中上臺階開挖、下臺階開挖階段所占比重分別為34%和31%。因此，在施工過程中，應重點關注這兩個施工階段的地表沉降變化情況。

(2)通過對實測數據的分析，提出了地表沉降分步控制法。該方法可有效指導施工掘進，既能確保安全施工，又可以避免或減少由于監測預警帶來的停工，從而避免工程延期，減少工程成本。對其他類似采用礦山法施工的隧道具有借鑒意義。

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