西安地铁隧道穿越饱和软黄土地段的地表沉降监测

贺农农，李 攀，邵生俊，李佳坤，焦阳阳

（1.西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安 710018；2.西安理工大学土木建筑工程学院，陕西西安 710048）

0 引 言

近年来，中国城市地铁建设迅速发展，地铁隧道施工过程中不可避免地扰动隧道周围的土层，形成地表沉降槽，影响邻近建筑物和地下管线的安全运行。针对上述问题，学者开展了许多地铁隧道施工引起的地表沉降变形方面的研究［1－10］，对指导工程建设具有重要的理论与实际意义。针对隧道地面沉降变形问题，Peck提出了地面沉降槽预测模型［11］；O'Reilly等结合伦敦地区的经验提出了沉降槽宽度与埋深之间的线性关系［12］，引入地层损失率参数，得到简化的基于最大沉降变形量的预测模型。Attewell等在此基础上对地表沉降做了更为深入的研究［13－16］。中国学者通过具体工程实际监测也开展了地表沉降变形研究［17－26］。

目前，西安地铁二号线地下工程已经建成，虽然在隧道等地下工程施工中积累了一些控制地层位移和地表沉降的经验，但对软弱地层中隧道施工引起的围岩变形和地表沉降的定量化分析及合理预测还需要进一步探索。由于西安地铁建设场地位于渭河多级阶地，地层上部为疏松的新黄土，其饱和后未经压密的软黄土具有孔隙比大、欠压密、强度低的特性，所以隧道施工扰动必然引起较大的沉降变形。西安地铁一号线朝阳门至康复路段的地层中就分布有2.50～10.30m厚的饱和软黄土。对于该饱和软黄土隧道区间段的施工，可能存在的施工过程地面沉降过大的问题已经引起了工程技术人员的高度重视。笔者以西安地铁一号线朝阳门至康复路段的地表沉降现场监测数据为基础，探讨了在浅埋暗挖法隧道施工条件下饱和软黄土地段的地表沉降规律，包括地表最大沉降量、地表沉降槽宽度、地表沉降槽宽度参数、地层损失率等。

1 工程背景

1.1 工程概况及地层条件

西安地铁一号线朝阳门站—康复路站的区间（以下简称为“朝康区间”）左、右线隧道长度分别为774.597m和776.200m，均采用核心土上、下台阶开挖法，钢拱架加挂网喷层初支法，模筑钢筋混凝土永久衬砌构筑法施工。该区间隧道从朝阳门站东侧出发，下穿长乐西路机动车道和人行道，至康复路站西侧。左、右线隧道在平面上均由直线段和半径为3 000m及1 000m的曲线段组成，左、右线隧道间距为15m。左、右线隧道在朝阳门站东侧具有相同标高，轴线平行，从朝阳门东侧至康复路西侧左线的坡率依次为－0.2%、－0.3%、1.462%、2.419 4%、0.2%，右线的坡率依次为－0.2%、－0.3%、1.462%、2.4%、0.2%。该区间隧道的最大拱顶埋深在朝阳门站东侧261.0m处，约16.4m深；最小隧道拱顶埋深在康复路西端，约8.7m深。

隧道区间的地面标高为404.99～407.91m，全段东高西低，高差2.92m。其地貌属黄土梁洼，区间范围内地表一般分布有厚薄不均的全新统杂填土（厚度0.70～1.90m）和素填土（厚度0.70～5.10m）；其下为上更新统风积新黄土（厚度0.50～5.50m），饱和软黄土（厚度2.50～10.30m），残积古土壤（厚度3.20～5.50m）；最下部为中更新统风积老黄土（厚度3.30～9.90m），冲积粉质黏土（最大厚度19.4m），粉土、细砂、中砂（厚度0.70～3.50m）及粗砂等。朝阳门至康复路站隧道区间西段地质剖面见图1。

图1 朝阳门站至康复路站隧道区间西端地质剖面Fig.1 Geological section at the western end of tunnel from Chaoyangmen Station to Kangfulu Station

隧道区间建设影响范围内的地下水属潜水。地下水埋深4.30～7.50m，标高397.89～403.41m。地下水东高西低，高差5.52m。地下水受兴庆湖渗漏水的影响显著，潜水流向为北偏东。隧道影响范围的地下水主要补给源包括地下径流、人工湖渗水、降雨入渗等。地下水的运动受潜水径流、人工开采及蒸发消耗等影响。该隧道区间地下水赋存于上更新世残积古土壤、中更新世风积黄土及冲积粉质黏土等黏性土层。其主要含水层的更新统冲积粉质黏土中有2、3层中砂透镜体夹层，分布不连续，透水性好。

1.2 隧道施工

在饱和软弱黄土中开挖隧道时，应遵循尽量减少对围岩的扰动、避免围岩黄土变形引起强度降低和固结变形发展、合理利用围岩的自身承载能力的原则。在开挖施工时，一方面减小降水形成的漏斗区域，缩短降水历时，削弱固结变形发展；另一方面增强初期支护，在隧道拱顶上部软弱黄土中采用注浆小导管、架设钢拱架、挂网、喷射混凝土形成初期支护结构，同时，分上、下台阶开挖，留置核心土保持掌子面稳定。在下半洞开挖未形成封闭初期支护之前，上半洞初衬钢拱架脚部连接水平钢支撑锁脚。下半洞开挖架设钢拱架、挂网、喷射混凝土形成封闭衬砌结构之后，可拆除侧墙腰部水平钢支撑。接下来，构筑钢筋混凝土衬砌结构。上台阶开挖后，应及时构筑下半洞初期支护仰拱，形成初期支护封闭环，以便控制地层土体变形。单洞开挖施工支护的步骤和顺序如图2。图2中虚线为未施工隧道部分的轮廓线，实线为已施工隧道部分的轮廓线。

图2 朝康区间隧道开挖施工与衬砌支护工序Fig.2 Constructing procedure of excavating and lining of tunnel from Chaoyangmen Station to Kangfulu Station

2 沉降监测方案

2.1 监测场地

西安地铁一号线朝康区间隧道下穿道路的两侧均有建筑物，道路两侧地层的沉降影响到建筑物的安全运行。在DK22＋660至DK22＋730段隧道的拱顶埋深为15.4～16.6m。其中，右线DK22＋660至DK22＋680段为B型断面（高7 705mm，宽7 100mm）隧道；右线DK22＋690至DK22＋730段为A型断面（高6 550mm，宽6 380mm）隧道；左线DK22＋660至DK22＋680段为C型断面（高8 605mm，宽8 000mm）隧道；左线DK22＋690至DK22＋715段为B型断面隧道；左线DK22＋730段为A型断面隧道。场地内有两条主要的管线：一条为直径300mm的铸铁给水管，埋设在左线隧道拱顶上方，埋深1.70m；另一条为直径1 000mm的混凝土排水管，埋设在右线隧道拱顶上方，埋深4.70～5.46m。

2.2 测点布设

为了了解DK22＋660～DK22＋730段地层沉降对建筑物和地下管线的影响，沿隧道轴线选择DK22＋660、DK22＋670、DK22＋680、DK22＋690、DK22＋715、DK22＋730等6个断面布设地表沉降观测点（图3），监测隧道开挖时引起的地表沉降。

图3 朝康区间隧道地表沉降监测点分布Fig.3 Distribution of monitoring points of ground surface settlement of tunnel from Chaoyangmen Station to Kangfulu Station

使用苏一光DS05精密水准仪对地表沉降监测点进行高程测量，测量出每个点位的即时高程。将测得数据与前次测得数据相减，可得前后两次监测的地表沉降量。将观测点测量高程与隧道开挖前初始高程比较，可求得累积地表沉降量。依据同一时间的测量数据也可得到地铁隧道开挖时的地表沉降分布曲线及其发展变化。

3 地表沉降监测结果分析

3.1 地表沉降变形随掌子面的变化

随着隧道开挖后掌子面越来越靠近监测断面，监测断面洞顶上方地面的沉降变形也越来越大。在掌子面通过监测断面后，随着掌子面的支撑和约束作用释放，地面沉降变形继续发展。如果以监测断面为基准，当掌子面未通过监测断面时，掌子面与监测断面的距离为负值；当掌子面通过监测断面后，掌子面与监测断面的距离为正值。那么，以掌子面与监测断面间的距离（L）和隧道洞径（D）之比为横坐标，以洞顶地面沉降量为纵坐标，可得到各监测断面洞顶地面沉降量随掌子面的变化曲线。选择DK22＋680、DK22＋690、DK22＋715三个监测断面分析，右线隧道单洞开挖过程中洞顶地面沉降随掌子面的变化曲线如图4～6。

图4 右线隧道DK22＋680断面拱顶地表沉降随掌子面的变化Fig.4 Changes of ground settlement above the right tunnel vault with the excavation face at DK22＋680section

图5 右线隧道DK22＋690断面拱顶地表沉降随掌子面的变化Fig.5 Changes of ground settlement above the right tunnel vault with the excavation face at DK22＋690section

图6 右线隧道DK22＋715断面拱顶地表沉降随掌子面的变化Fig.6 Changes of ground settlement above the right tunnel vault with the excavation face at DK22＋715section

根据对DK22＋680、DK22＋690、DK22＋715三个断面隧道左线洞顶地表沉降分析，可以将隧道地表沉降分为4个阶段。沉降微小阶段：L／D≤－1，掌子面在监测断面之前，距监测断面在1倍洞径以上，监测断面的沉降发展比较小；沉降显著发展阶段：－1≤L／D≤3，掌子面临近监测断面，且进一步穿越监测断面，地面沉降发展迅速，最大沉降速率达1.65mm／d；沉降缓慢阶段：3≤L／D≤5，掌子面距离监测断面较远，监测断面围岩已有初衬支撑，掌子面的变化对监测断面围岩变形的影响越来越小，沉降变形速率减缓；沉降稳定阶段：L／D≥5，掌子面远离测点断面，沉降变化趋于稳定。除此之外，从图4～6还可以看出，当开挖掌子面位于监测点断面时，地表沉降变形达到了稳定变形时的40%～50%。

3.2 隧道横断面地表沉降变形分析

3.2.1 单线隧道开挖引起的地表沉降变形

随着掌子面的变化，各监测断面地表的沉降变形逐渐发展。当掌子面对监测断面围岩的约束和支撑作用全部释放且初期衬砌支撑形成时，地表沉降变形趋于稳定。依据沉降变形稳定时的监测结果，朝康区间右线隧道各监测断面的沉降变形分布如图7。根据图7可以看出，单线隧道开挖时引起的最大地表沉降变形为18.9mm；各断面沉降槽宽度见表1，右线各监测断面沉降槽宽度为8.4～9.3m。

表1 各监测断面地表沉降槽宽度Tab.1 Widths of ground settling vessels at different monitoring sections

3.2.2 双线隧道开挖引起的地表沉降变形分析

图7 右线隧道各断面地表沉降分布曲线Fig.7 Distribution curves of ground settlement at different monitoring sections of the right tunnel

在双线隧道开挖施工中，随着右线隧道开挖，掌子面逐渐逼近监测断面，地表沉降逐渐发展。当掌子面达到监测断面且进一步向前推进时，地表沉降进一步发展；当掌子面对监测断面的约束全部释放且形成初期衬砌支撑时，单线隧道开挖引起的地表沉降趋于稳定。此后，随着左线开挖，掌子面临近监测断面，地表沉降变形又接着发展。当左线掌子面对监测断面围岩的约束全部释放且构筑形成初期衬砌支撑时，双线隧道开挖引起的地表沉降就趋于稳定。DK22＋690监测断面地表沉降变形的发展过程见图8。

图8 DK22＋690断面地表沉降变形分布的发展过程Fig.8 Changing process of distribution of ground settlement deformation at DK22＋690section

当左、右线隧道开挖引起的地表沉降变形趋于稳定后，依据双线隧道开挖完成后引起的地表沉降量减去右线隧道开挖沉降变形稳定的地表沉降量，可得左线隧道开挖引起的地表沉降量。各监测断面的地表沉降曲线见图9～11。由此可以得出，左线隧道开挖引起的地表沉降大于右线隧道开挖引起的地表沉降。这是因为右线隧道开挖时已经扰动了左线隧道周围的土体，当双线隧道开挖的地表沉降稳定后，引起的地表最大沉降达到36.4mm。

图9 DK22＋670断面左、右隧道线地表沉降分布Fig.9 Distribution of ground settlement of left and right tunnels at DK22＋670section

图10 DK22＋680断面左、右隧道线地表沉降分布Fig.10 Distribution of ground settlement of left and right tunnels at DK22＋680section

图11 DK22＋690断面左、右线隧道地表沉降Fig.11 Distribution of ground settlement of left and right tunnels at DK22＋690section

依据右线、左线和双线开挖引起的地表沉降分布曲线，可得到各监测断面的沉降槽宽度（表1）。这表明右线隧道开挖引起的地表沉降槽宽度为8.4～9.3m，左线隧道由于围岩土体受到右线开挖扰动的影响，地表沉降量大于右线隧道，但其单线的沉降槽宽度基本与右线相同。双线隧道开挖引起的地表沉降槽宽度为16.2～17.5m，接近单线隧道沉降槽宽度的2倍，近似等于单线隧道沉降槽宽度与双线隧道轴线中点距离之和。

3.2.3 地面沉降槽宽度分析

前人研究表明，影响地表沉降槽宽度的因素有隧道埋深和隧道断面形状及尺寸。此外，对于超浅埋的城市地铁隧道而言，隧道断面形状及大小变化不大，地表沉降槽的影响范围还与开挖支护措施及隧道围岩土性有密切联系。按照目前应用最广泛的沉降槽计算公式［12］，沉降槽宽度与隧道埋深成正比，其比例系数也称为沉降槽宽度参数，反映了隧道围岩土性及开挖支护措施的影响。沉降槽计算公式为

式中：i为地表沉降槽宽度；z0为隧道洞轴线埋深；K为沉降槽宽度参数。依据各监测断面的地表沉降曲线，可得到各断面的沉降槽宽度；利用沉降槽计算公式进而可得到沉降槽宽度参数。从表2可以看出，朝康区间隧道地表沉降的沉降槽宽度参数为0.435～0.467。

3.2.4 地层损失率

地层损失率为地表沉降槽的面积与隧道开挖面积之比。根据地层损失率定义，其与最大沉降位移之间的关系可表述为

式中：A为隧道开挖的面积；Smax为最大沉降位移；Vl为地层损失率。依据式（2），可计算得到地层损失率。各监测断面的地层损失率如表3。

根据表3可以看出，当不考虑排水作用时，朝阳门段单线隧道（右线隧道）的地层损失率为0.765%～1.324%；双线隧道开挖时，后开挖隧道（左线隧道）引起的地层损失率较先开挖的大，为0.916%～1.688%；双线隧道开挖后引起的地层损失率大于单线隧道，为1.231%～2.200%。

表2 沉降槽宽度参数Tab.2 Parameters of widths of settling vessels

表3 各监测断面的地层损失率Tab.3 Loss ratios of stratum at different monitoring sections

4 结 语

（1）根据西安地铁一号线朝阳门站—康复路站区间隧道地表沉降变形随掌子面推进的变化曲线分析，可以把隧道地表沉降分4个阶段：沉降微小阶段、沉降显著发展阶段、沉降缓慢阶段、沉降稳定阶段。在沉降显著发展阶段，最大沉降速率可以达到1.65 mm／d。当掌子面达到监测断面时，地层变形已达到稳定变形时的40%～50%。

（2）单线隧道开挖引起的地表沉降最大值为18.9mm，地表沉降槽宽度为8.4～9.3m。双线隧道开挖时，由于已开挖隧道对围岩土体的扰动作用，使得后开挖隧道的地表沉降发展较大；双线隧道的地表沉降槽宽度接近单线隧道沉降槽宽度的2倍，近似为单线隧道沉降槽宽度与双线隧道轴线中点距离之和。

（3）根据地表沉降实际监测分布曲线，饱和软黄土隧道的沉降槽宽度参数为0.435～0.467。单线隧道开挖的地层损失率为0.765%～1.324%；双线隧道开挖的地层损失率为1.231%～2.200%。

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