人防隧道双侧扩挖对地表的影响

苏仲杰，赵 松，杨 逾，周小科，刘晶晶

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁 阜新123000)

0 引言

城市交通压力不断增加，地铁已经成为给城市减负的重要措施，而各地复杂的地质和施工环境无疑是地铁施工的严峻挑战。国内外学者对此做了大量的研究，包括工程建设对既有隧道的影响、不同工况对围岩及地表变形的影响以及隧道变形的监测技术等［1～4］。但是对人防隧道改造为地铁隧道的分析较少，杨峥［5］基于数值模拟进行了单边扩挖支护结构的应力分析，但缺少对围岩和地表实际变形的系统分析。

人防隧道改造为地铁隧道工程分为单侧扩挖法 (CD工法)和双侧扩挖法 (CRD工法)。本文基于哈尔滨7381人防隧道改造为地铁隧道的双侧扩挖段工程实例，通过对地表变形的系统监测，利用Matlab等软件，结合矿业开采沉陷理论，得到了相应的变形规律，为隧道支护、施工组织、位移监测和周围建筑物的保护积累了经验。

1 工程概况

哈尔滨地铁一期土建工程七标位于该市南岗区，从铁路局站至工程大学站，共3站4区间。其中大部分为7381人防隧道改造段，包括单侧扩挖段和双侧扩挖段。

烟厂站至工程大学站区间双侧扩挖段最长，扩挖里程为SK12+688.979至SK12+890.542，共201.563 m。隧道主要穿过粉质黏土层、粉砂层、粉土层等。围岩级别均为Ⅵ级，土石可挖等级均为Ⅱ级。结构顶板附近为粉质粘土层，侧墙附近为粉砂层、粉质粘土层等。地下水位于结构底板附近，水位低于结构底板。为了充分利用既有7381结构，设计方案将既有7381结构线位横向偏移400～600 mm，轨顶面下移300～400 mm。新隧道高7.4 m，宽9.5 m。

2 隧道扩挖方案

隧道扩挖施工严格遵循“强支护、快封闭、勤量测”的技术要求。施工工序:①破除既有支护仰拱部分砼并及时施作初衬;②完成仰拱初衬8 m后，模筑6 m二衬仰拱砼;③凿除单侧顶拱砼，施作初衬，及时架设临时支撑及斜撑;④凿除另一侧顶拱砼，及时施作初衬，架设横向临时支撑，拆除斜撑;⑤破除一侧边墙砼并及时施作初衬;⑥破除另一侧边墙砼并及时施作初衬封闭成环;⑦拆除支撑，浇筑仰拱回填砼，模筑二衬拱墙钢筋砼 (采用9 m模版台车立模)。部分工序如图1。

图1 部分施工工序Fig.1 Parts of construction operational procedures

原有隧道扩挖作业采用跳槽法，每槽段长1 m，间距15 m。结构破除及土方开挖过程中，超前预报和监控测量同时进行，实时分析反馈，从而确保安全施工。

3 隧道扩挖的监测方案

由于目前隧道扩挖经验较少，隧道扩挖过程中的监测至关重要。该工程重点监测地表变形及其对建 (构)筑物的影响、围岩与支护结构的稳定性等，内容主要包括地表沉降、建筑物沉降、围岩压力、隧道拱顶下沉、隧道两侧水平收敛等，本文重点分析地表沉降。高程控制网属精密水准网，其精度在二、三等水准测量之间，平差后精度满足相应规范要求。监测频率:初期支护施作完成前每天1次，初衬完成后每2天1次。每一工序沉降累计从该工序开始时刻至下一工序开始时刻。

4 监测数据分析

地质雷达探测发现，里程SK12+800至SK12+880间的隧道周围土体无明显异常。本文结合跳槽法的施工方法，取SK12+830至SK12+880间的50 m为分析对象，扩挖面位于SK12+855，相邻槽段尚未扩挖。监测点布置如图2，为使地表变形更明显，各监测点间距加密为5 m。

图2 监测点布置Fig.2 Arrangement of the monitoring points

从断面2和断面5的沉降曲线图 (见图3、图4)中可以看出，总沉降最大值发生在扩挖面上部地表。此外，断面1、3、4、6沉降曲线 (见图5—图8)显示，在总沉降中，破除仰拱产生的沉降最大，破除边墙和拆除支撑产生的沉降居中，且两者大小相当，破除顶拱加支撑后沉降最小。由于双侧扩挖，断面2沉降曲线 (见图3)的中部较断面5(见图4)的平坦，而扩挖面两侧的断面1、3沉降曲线 (见图5、图6)平坦区域缩小，甚至消失。与盾构施工［6～7］不同，跳槽法施工的沉降曲线都以扩挖面为中心呈近似对称分布。

图3 断面2沉降曲线Fig.3 Settlement curves of the Transverse Section 2

图4 断面5沉降曲线横向Fig.4 Settlement curves of the Lengthwise Section 5

图5 断面1沉降曲线Fig.5 Settlement curves of the Transverse Section 1

图6 断面3沉降曲线Fig.6 Settlement curves of the Transverse Section 3

图7 断面4沉降曲线Fig.7 Settlement curves of the Lengthwise Section 4

图8 断面6沉降曲线Fig.8 Settlement curves of the Lengthwise Section 6

利用Matlab软件对监测数据进行处理得到断面2和断面5总沉降的三次样条插值曲线(见图9、图10)和倾斜曲线 (见图11、图12)，从中可以看出，横向影响范围为扩挖面左侧25～30 m，右侧28～32 m，纵向影响范围为扩挖面后方16～18 m，前方19～21 m。

图9 断面2沉降插值曲线Fig.9 Settlement interpolation curves of the Section 2

图10 断面5沉降插值曲线Fig.10 Settlement interpolation curves of the Section 5

结合矿业开采沉陷理论［8～12］，由断面2和断面5倾斜曲线得，断面2倾斜极大值在左侧-14 m处，右侧在13 m处，断面5倾斜极大值在后方-6 m处，前方6 m处。倾斜极大值处即总沉降拐点处，拐点处倾斜最大，对地下埋藏设施影响较大，拐点内侧为压缩变形，拐点外侧为拉伸变形，易出现裂缝。断面2和断面5倾斜曲线在拐点两侧变化较快，拐点过后一段距离都有明显的减速。断面2倾斜中部变化较慢，是两侧扩挖使中部沉降较平坦所致。对于断面2右侧末端的加速，检查发现属于外界扰动，不予考虑。

5 监测结果讨论

隧道扩挖不同于新隧道的开挖，双侧扩挖也不同于单侧扩挖，其对地表的影响有以下特点 (本工程竣工隧道高7.4 m，宽9.5 m):

图11 断面2倾斜曲线Fig.11 Settlement slope curves of the Section 2

图12 断面5倾斜曲线Fig.12 Settlement slope curves of the Section 5

①以扩挖面为中心，隧道双侧扩挖影响范围横向单侧约为隧道宽度的3倍，纵向单侧约为隧道高度的2.5倍。地表监测范围应大于等于此范围，且在沉降变化快的区域 (1.5倍高度或宽度)应重点监测。

②总沉降曲线的拐点横向出现在约1.5倍宽度处，纵向出现在约1倍高度处。拐点处倾斜最大，其外侧土层易产生拉应力，故拐点及其外侧1倍宽度 (由倾斜曲线得)范围内，若存在埋藏设施则应有相应防护措施且重点监测，对跨越拐点的建筑物也要重点监测。由此可见，拐点位置的确定有重要意义。

③扩挖过程中，破除仰拱对地表影响最大，其次为破除边墙和拆除支撑，且二者影响程度相当，破除顶拱且加支撑影响最小。拆除支撑时地表沉降较大，故支撑的架设要及时，拆除要谨慎。破除仰拱和拆除支撑后有必要提高监测频率。

④双侧扩挖使横向总沉降曲线中部较纵向平坦，平坦区域与隧道宽度相当，该区域内建筑不易被破坏。

⑤横向断面沉降 (断面2)在中部存在低速区 (范围与隧道宽度相当)，而纵向断面沉降 (断面5)则无，横向断面和纵向断面沉降变化在两端均存在低速区。低速区监测点间距可放宽。

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