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城市超浅埋隧道施工地表沉降规律研究 摘要：隧道施工扰动土层，必然造成相应的地层变形，在不同条件下变形特点表现出较大差异。本文以厦门市明发商业广场嘉禾路地下行车通道施工为依托，采用现场实测的方法对地表沉降的规律进行了研究，得出了城市超浅埋隧道施工过程中地表变形的基本规律，在此基础上提出了控制地表沉陷的施工措施。对类似工程的施工具有重要的指导意义。 关键词：城市超浅埋隧道;地表沉降;监控量测;浅埋暗挖 中图分类号：TU457文献标识码：A Urbanconstructionofsurfacesubsidencelawofultra-shallowtunnel ZhaoFeng，ZhouBin （ChinaRailwaySouthwestResearchInstitutisturbanceofsoil，willinevitablyleadtothecorrespondingstratadeformation，deformationcharacteristicsunderdifferentconditionsshowedagreaterdiffereroundconstructionasthebasis，usingfieldmeasurementmethodofsurfacesubsidencepatternsstudied，cometothecityoverthecourseofshallowtunnelsurfacedeformationofthebasiclaw，inthisconstructionmeasuresproposedonthebasisofthecontrolsurfacesubsidearprojee;MonitoringandMeasurement;Shallow 1.前言 地下工程开挖不可避免地对岩土体产生扰动，势必引起地表沉降和变形，地表沉降达到一定程度时将影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。因此在地面交通复杂、建筑及管网密集的城市中进行隧道施工，地表变形规律及控制一直是人们关心的课题。为有效地预防和减少隧道施工所引起的地表沉降和变形及其对周围环境所造成的损害，有必要对地表变形规律进行分析研究并由此作出正确预计。 2.浅埋隧道上覆地层变形的基本规律 影响地表移动和变形的因素很多，地表移动和变形的大小不仅与隧道的埋深、断面尺寸和施工方法、支护方式有关，而且受地层条件的影响。Peck（1969）通过对大量地表沉陷数据及工程资料分析后，首先提出地表沉降槽似正态分布的概念，认为地层移动由地层损失引起，在不排水情况下，隧道开挖后所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。提出地表沉降横向分布的经验估算公式为3-6： 式中：为距隧道中心线为处的地表沉降量;s为隧道中线处的最大沉降量;s为距隧道中心线的水平距离;i为地表沉降槽宽度系数，可由下列经验公式计算： 式中：z为地面至隧道中心的深度;f为土体的内摩擦角。 Cording（美国）等人根据莫尔-库伦理论，推导出沉降槽宽度W与i满足W=5i的关系。 3.工程概述 3.1工程概况 厦门市明发商业广场嘉禾路地下行车通道是湖光路下穿嘉禾路连接明发商业广场的地下行车通道工程。通道全长128m，其中引道（U型槽）全长58m，下穿嘉禾路段（浅埋暗挖段）长59m，明挖暗埋段长11m，通道净宽6.6m，净高3.0m。通道在下穿嘉禾路时采用浅埋暗挖法施工，开挖断面7.80m5.10m，为平顶直墙式通道，隧道埋深极浅，覆盖层最薄处仅1.79m。 应用工程现场的钻孔原状土，对其物力力学参数进行了测定，测定结果如表1所示。 3.3施工方法 该隧道浅埋暗挖段施工方法采用“新奥法”基本原理，在开挖前施作长大管棚预支护，管棚采用108mm，壁厚为5mm的热轧无缝钢管，管内注M25水泥砂浆，每根长59m，分布在隧道侧墙和拱部范围内，管棚之间净距5cm，距开挖轮廓线13cm，外插角0.51。管棚布置如图1所示。 该隧道断面形式为平顶矩形结构，跨度大、超浅埋，受地面动静荷载影响大，且地中管网密集，开挖中要严格控制地表沉降。从控制地层变形的角度出发，设计采用控制地表沉降效果较好的CD工法，但由于该工法工序繁多，结构受力复杂多变，施工中，结构内力亦经多次应力转变，技术难度较大。考虑到工期及工序问题，根据有限元分析结果，提出采用全断面开挖的施工方法，开挖时保留核心土，必要时加设临时支撑。 4.隧道施工引起的地表变形规律 4.1变形监测系统设计 隧道开挖引起的地层变形从隧道结构拱顶向上传递至地表，为进一步分析地层变形规律以及地表沉降与拱顶下沉的关系，分别在隧道结构拱顶以及隧道上方地表设置了沉降观测点。拱顶沉降点布置在结构顶板中线及左右各两米位置，每断面布置3个拱顶沉降测点;隧道结构上方横向地表沉降监测点按开挖影响范围布置，监测点布置如图2所示。根据现场实际情况，本工程纵向监测断面在暗挖段共布置6个监测断面。 4.2变形规律分析 隧道施工引起的各监测断面地表沉降横向分布规律基本相同，近似成一正太分布曲线。对比图3中a、b两个监测断面地表横向沉降槽曲线可以看出，地表最大下沉位置在隧道轴心附近，向两侧逐渐减小，由于本隧道为平顶结构，沉降槽顶点不一定正好位于轴心处。地表沉降槽的宽度为16m（约等于4i），在沉降槽的边缘，地表沉降值已趋于零。根据式（2），沉降槽宽度与地面至隧道中心的深度即隧道埋设有关，隧道埋深越大，开挖在地表的影响范围越大，开挖引起的地表沉降槽的宽度也越大，本隧道埋设最薄处仅1.79m，开挖影响范围约为通道开挖宽度的2倍。 2）地表沉降时间、空间规律 图4为K0+070监测断面隧道中轴处地表及拱顶沉降曲线，从图中可以看出，同时期内拱顶下沉大于地表沉降，在开挖引起的地层失水固结、应力释放和预加固的管棚结构相互协调，并在隧道柔性支护和地层共同变形的作用下，拱顶下沉和地表沉降都较大。 掌子面在监测断面前方23米约0.30.4倍B（通道宽度）时，就开始下沉，当掌子面通过监测断面时，下沉速率急剧加大，最大达到17mm/d，当掌子面超过监测断面约2B时，即610天后下沉曲线趋于平缓。在开挖期间地表下沉值约占地表总下沉值的46%;初支后至二衬施工前期间下沉量约占总下沉量的39%;二衬后，地表沉降仍会持续一段时间，该时段的地表沉降值约占总下沉量的15%。 5.结论 超浅埋平顶隧道上覆地层的沉降关系与Peck（1969）等的研究类似，地表沉降槽特性及变形规律符合地层特性、隧道结构特点及浅埋暗挖法施工的实质。 1）浅埋平顶隧道结构，沉降槽顶点不一定正好位于轴心处，但均在轴心附近。地表沉降槽宽度约等于4i，开挖影响范围约为隧道开挖宽度的2倍。 2）掌子面开挖影响前方地表的范围约为0.30.4倍通道宽度，当掌子面通过时，下沉急剧加大，当掌子面通过约2倍通道宽度后，地表下沉逐渐减小。因此，浅埋隧道开挖后应立即支护，以预防地表沉陷。 3）隧道在开挖期间地表下沉值约占地表总下沉值的46%;初支后至二衬施工前期间下沉量约占总下沉量的39%;二衬后，地表沉降仍会持续一段时间，该时段的地表沉降值约占总下沉量的15%。 4）本隧道埋深浅，上覆土层为素填土及粉质粘土，开挖引起地层损失较大，拱顶下沉及地表沉降均较大。因此，开挖前进行预加固极为重要，设置的密排长管棚是本隧道能成功开挖的关键。 参考文献 阳军生、刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形M.北京：中国铁道出版社，2002. 张顶立、黄俊.深圳地铁浅埋暗挖隧道地层变形分析J.中国矿业大学学报，2004.33（5）：578-583. R.B.Peck（1969.Deepexcavationsandtunnelinginsoftg