淺埋暗挖大跨度隧道地表沉降及施工技術研究

趙 杰

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

1 工程概況

青島地鐵四號線錯埠嶺站所處遼陽西路較平坦，地勢東高西低，西端地面標高28.3 m，東端地面標高32.4 m，地面提升高度4.1 m 左右。車站有效站臺中心里程YDK8+885.500，起訖里程YDK8+800.745—YDK9+022.245，總長221.5 m，軌面高程為-1.000 m，拱頂埋深12.5～17.28 m，覆巖2.5～8.5 m。錯埠嶺站主體采用雙側壁導坑法分三層九部開挖施工，車站兩端設置1 號、2 號施工豎井，并在新業廣場停車場內設置臨時施工豎井，臨時施工豎井及橫通道兼做部分B 出入口通道。

2 數值模擬與結果分析

2.1 建立模型

在MIDAS 軟件無法直接導入CAD、REVIT 等模型，因此將圖紙尺寸按1∶1 在MIDAS 軟件中繪制，并以此繪制圖作為隧道模型。

在MIDAS 軟件的模型繪制過程中，X、Y、Z 三坐標分別代表錯卜嶺隧道的軸向、橫向以及縱向。應用圣維南原理可以得到，施工過程中的擾動作用范圍主要在隧道洞徑3 倍范圍內，故X、Y、Z 三軸均選取3～5 倍洞徑的距離繪制隧道整體模型，隧道最底處埋深40 m，并在隧道周圍及內部設置錨桿及初支。緊隨隧道之后是土層的繪制，需要注意的是，由于參數相近，此處將回填土和黏土統一設置成全風化土層，砂土層及頁巖土質層統一設置成半風化土層，各類巖石土質層設置為硬巖層，分別位于模型上、中、下三層。

隧道X、Y、Z 軸數據分別設置為120 m、60 m、100 m，拱頂處埋深為20 m，施工步序為2 m/d，模擬開挖方式采用雙側壁導坑法，每個導洞劃分為30 個模塊，14 個導洞共420 個模塊。

2.2 參數選取

模型簡化的三種土層和初支（噴混）的各項參數，需要結合地質勘察資料進行分析。

初期支護的主要施做方法為現澆混凝土，其力學性能參數參考《地鐵設計規范》確定。模擬過程忽略錨桿及鋼拱架，因此其強度應折算進初支中，由此得出初期支護彈性模量計算式。

2.3 地表沉降規律分析

模擬隧道施工主要研究內容為地表沉降槽曲線走勢、最大沉降數據、沉降橫向偏移情況以及隨著施工進行中的沉降走勢。本文通過數值模擬云圖對所研究內容進行圖像化展示。

對比分析不同階段的地表沉降云圖可得，在軸向地質變化不大的情況下，沉降曲線呈雙V 字形分布。具體過程為施工初期階段，沉降影響范圍向兩側擴展，最大沉降值也在增加，上導洞打通后，沉降范圍及最大沉降值隨施工過程的變化逐漸減小。整個施工過程中沉降影響范圍可達隧道中線左側20 m 至右側15 m 之間，最大沉降值發生在隧道中線偏左5 m 處，其最大沉降量約為25 mm。用Origin 軟件繪制成地表總沉降曲線圖進行對比分析，如圖1 所示。其中工況1 為上斷面上導洞打通時的沉降槽曲線，工況2 為上斷面打通時的沉降槽曲線，工況3 為隧道打通時的沉降槽曲線，橫坐標為隧道偏移量，縱坐標為沉降量。

圖1 地表總沉降槽曲線

右側地表沉降明顯低于左側，主要是模型設置中，為了符合實際地形情況而設置的左高右低，其左右高度差最大約為10 m。

由此可得，在有充足的支護襯砌的支撐之下，上導洞的施工對地表沉降量的影響較大，下導洞的施工對于地表沉降的影響較小。地表沉降值在沉降槽中軸線兩側基本呈對稱分布，其影響區域在中軸線兩側18 m 左右，且隧道施工過程中模擬的地表沉降槽曲線符合基于Peck 公式推出的地表沉降槽曲線。

3 現場實測數據與分析

3.1 隧道主體沉降監測數據

錯埠嶺站于2018 年7 月1 日復工至2018 年8 月26 日拱部左、右導洞貫通封閉成環完成期間，位于DK8+947 到DK8+990 大約50 m 范圍區域地表沉降監測數據呈下沉趨勢，截至2018 年8 月26 日，錯埠嶺站拱部左、右導洞貫通封閉成環完成，封閉成環后監測數據相對穩定無異常變化，地表沉降最大累積達到-97 mm（DBC16-05），地表沉降歷史累積變化-85 mm，拱頂沉降最大累積達到-30 mm；2018 年8 月26 日至2018 年10 月6 日2 號豎井與橫通開挖期間，地表沉降最大累積變化-2 mm，拱頂沉降最大累積變化-1 mm；2018 年10 月6 日主體右中導洞開始施工至10 月31 日地表沉降累積最大變化-7 mm，拱頂沉降累積最大變化-10 mm。

車站地表沉降監測布點采用沿隧道中線上方密集布設，除此之外的隧道施工影響區布點較為稀疏。

3.2 隧道沉降影響及分析

結合施工工況，在對比分析后，沉降變化呈如下規律：

（1）復工前隧道沉降趨于穩定。沉降過程發生在約兩個月的施工階段，除此之外的沉降過程則發生在2 號橫道打通階段。由此可知施工擾動造成了大范圍的松動區，是造成地表沉降的主要原因[1]。

（2）斷層破碎帶對隧道施工的影響。地表沉降及拱頂沉降偏大區域基本位于F19、F20 斷裂構造帶影響區域，剛施工至此位置時，即在2018 年8 月10 日左右，拱頂出現較快沉降，表明破碎帶厚度、傾角以及水壓力等都對施工沉降有較大影響。

（3）隧道沉降發生的時間與開挖工序相對應，當支護結構封閉成環后沉降數據趨于穩定，且沉降持續發生滯后掌子面約20 m。

（4）上層導坑開挖過程中產生的沉降占總沉降量的60%～80%，中層導坑在開挖過程中沉降量在10 mm 左右，遠遠小于上層導坑開挖時發生的沉降[2]。

3.3 模擬與實測數據對比

模擬過程中取最大沉降點數據，繪制模擬點沉降曲線圖，實測數據點取DBC10-06，繪制實測數據沉降曲線圖。

實際工程中復工日期為2018 年11 月，所取數據為該日期之后。對比分析兩圖曲線走勢基本相同，都有一段急速下降區域，并最終趨于平緩。兩圖的區別主要表現在實測數據下降趨急與緩之分，甚至部分時間還會有凸起。這主要是由于該段區域穿越斷層破碎帶，造成部分階段的急速沉降，并在之后的支護過程中，注漿過量便會造成沉降數據不降反升。這些現象在模擬曲線中不會出現。

由圖可知模擬過程中的沉降總量約為16 mm，而實際測量沉降總量約為33 mm，主要原因是斷層破碎帶造成的過量沉降沒有在施工模擬過程中考慮。但兩圖的曲線走勢幾乎相同，因此該模擬過程可以作為實際工程中理論分析所用。

4 沉降控制措施及建議

4.1 超前地質預報

在斷層破碎帶較多的地質條件下進行隧道施工，超前地質預報是一項必不可少的工作，它可以有效預防突發情況，還可以確保施工進度，并且在預防地質災害發生、確定施工方案、保障施工安全等方面具有重要作用。青島地鐵4 號線錯埠嶺站隧道主洞施工前全程采用超前地質預報預測。超前地質預報的種類很多，針對不同的施工環境及地質類型，應采取不同的超前地質預報方法[3]。

4.2 支護手段

（1）開挖后及時進行初期支護，提高圍巖的自穩能力，為了保證支護的及時性，調整部分工序，在出碴的同時進行拱架安裝及噴砼，縮短支護時間。

（2）施工現場采取有效的拱腳支墊、楔緊措施。

（3）鎖腳及邊墻錨桿采用錨固劑填塞加注漿措施，減少錨桿漿體等強時間；拱腳位置加密縱向連接筋以增大拱腳縱向整體性強度等措施來控制開挖過程中產生的沉降。

4.3 其他措施

（1）盡可能減少開挖過程中上下臺階跟進時間差及拱部回填時間差，若掌子面自穩性較好應盡可能采用全斷面開挖，減少分部，可避免因分部過多而產生的疊加累積沉降。

（2）地表注漿措施對砂層和巖層界面起到了一定的封閉堵水的作用，減少了地下水的流失，對減少沉降較有利。同時，加強初支背后注漿，對初支基面滲漏水部位周期性注漿堵水。

（3）對位于強風化、中風化地層的主體結構中層導坑采取徑向注漿加固周邊地層，若施工單位工藝可行則優先考慮帷幕注漿加固堵水。

5 結語

綜上所述，隨著我國經濟水平的不斷發展和交通壓力的逐漸增大，地鐵在越來越多的城市得到普及。在城市地鐵建造過程中，發生了許多地鐵隧道施工引起地表沉降，導致路面損壞甚至冒頂或塌陷的現象，其根本原因是因為施工過程中，機械或爆破造成地下巖土層擾動，致使土層產生變形，造成不同程度的地表沉降或隆起，這種現象給施工安全帶來了嚴重隱患。因此，分析地鐵隧道施工過程中地表沉降產生的原因、規律，并采取相應的措施，對于保證隧道的施工安全具有重要意義。