大断面黄土地铁隧道CRD法施工诱发的地表沉降规律

任建喜 万永涛 张扬洋 于松波 许世恒 刘 华

(西安科技大学建筑与土木工程学院，710054，西安∥第一作者，教授)

隧道开挖施工引起地表沉降的规律一直是地铁隧道安全施工中的关键技术问题之一［1-3］。施工方法的差异，将导致隧道开挖施工诱发不同程度的地表沉降。文献［4］运用有限元法分析了浅埋暗挖隧道CRD(交叉中隔壁)工法不同的开挖顺序对地表沉降的影响。一旦开挖施工引起的地表沉降超过允许值时，极易引起大面积的地表塌陷，进而引发一系列的工程安全事故，严重影响施工进度。因此，为确保施工和周围建筑物的安全，对地铁隧道开挖施工引起的地表沉降进行监测与控制是极为必要的［5］。本文以西安地铁3号线胡家庙—石家街区间工程为例，采用FLAC 数值模拟软件和现场监测相结合的手段对CRD 法施工引起的地表沉降规律进行研究。

1 工程概况

西安地铁3号线胡家庙—石家街区间线路沿东二环自南向北行进，下穿金花北路，区间全长1 250 m。本文选择隧道左线ZDK33 +116—ZDK33 +141区间进行地表沉降规律的研究。该区间隧道采用CRD 法施工，并采用φ42 mm 的超前小导管注浆，对拱顶的土体进行预加固，以改良地层的力学特性;在钢拱架架立后及时喷射混凝土，尽早使支护结构封闭成环，改善整体结构受力体系。布设范围在拱顶150°，环向间距300 mm。对于超挖中出现的地层与拱顶间的空隙，及时注浆加固填充，以控制拱顶围岩及支护结构的变形。具体的隧道支护结构见图1。由于隧道开挖断面大，埋深较浅，并穿越f3 地裂缝，因此对开挖施工引起的地表沉降有严格的控制。

该区间地铁隧道穿越的主要地层是人工填土、第四系上更新统新黄土、饱和软黄土、统古土壤、第四系中更新统老黄土、第四系中更新统粉质粘土。

该区间地下水高程介于 392.24～397.33 m 之间，勘察期间接近平水位期，水位变幅按2 m 考虑，流向主要为由北向西。拟建场地的地下水主要来自大气降水、侧向地下水径流补给，潜水排泄方式主要为侧向径流排泄。对该区间地铁隧道施工有直接影响的是地下潜水。为了减少地下水对隧道施工的影响，切实达到“无水作业”，隧道开挖前应对施工区域先进行降水，使得水位降至隧道底板以下3 m 方可进行开挖施工。

图1 隧道支护结构图

2 地表沉降规律预测

2.1 建立计算模型

西安地铁3号线隧道浅埋暗挖CRD 法施工段(ZDK33 +116—ZDK33 +141)开挖断面为9.00 m×9.035 m，隧道拱顶埋深10.6 m。根据施工经验及理论计算可知，隧道开挖施工的影响范围一般是洞径的3 倍左右。预测沉降槽的影响宽度约为30 m。为减少隧道模型边界条件对数值计算结果的影响，对左、右边界水平方向及底边界竖直方向进行约束，顶部自由。隧道模型的计算范围为:隧道中轴线左右二侧各取30 m，沿隧道开挖方向为25 m，地表面以下取40 m，故模拟区域为60 m×40 m×25 m(长×高 × 宽)。该模型的坐标原点位于隧道的中线处。数值模拟监测中的地表沉降点布置见图2。

隧道开挖断面处的网格按0.5 m 为一个单元，其他均按照1 m 为一个单元进行划分。由于隧道左线地表面处车流量较大，故在模拟计算中对地表施加附加荷载，附加荷载按15 kPa 计算。根据上述条件建立如图3所示的隧道计算模型。

图2 地表监测点示意图

图3 隧道计算模型

2.2 数值模拟计算

在数值模拟计算中，土层采用摩尔—库伦模型计算，支护结构应用线弹性模型计算。根据地质勘察报告，可知土层的基本物理力学指标(见表1)。

CRD 法施工计算工况:为了较为真实地模拟CRD 法施工过程，模拟计算中严格按照现场施工方案进行开挖，以此来预测CRD 法施工诱发的地表沉降。具体的导洞开挖顺序见图3。由于该区间采用了完善的降水设施，故模拟中不考虑地下水的影响。

表1 土层的物理参数指标

2.3 FLAC 数值模拟软件计算结果分析

2.3.1 隧道分步导洞开挖造成的地表沉降分析

矿山法施工对地层变形的影响主要集中在竖直方向，现采用FLAC 数值模拟软件对CRD 法施工不同开挖步序对地表沉降的影响进行研究，仅考虑导洞引起的累计地表沉降量，并选取1—1 断面进行研究分析。

在隧道施工开挖过程中，由于CRD 法开挖施工的时序性，造成地表沉降的中心会偏向首先开挖的局部断面，但随着施工工序的不断跟上，地表沉降的中心逐渐向中心偏移。每一步开挖工序施工完成后引起的地表累计沉降量如图4所示。

隧道开挖工序的不同，将导致地表沉降变形的程度也不一样，所以对CRD 法施工中不同导洞开挖顺序造成的地表沉降进行分析是很有必要的。

(1)导洞1 的开挖施工引起的地表变形较明显，最大地表沉降量为4.62 mm，沉降变形的范围在隧道中心走向左右10 m 范围内，沉降形成的沉降漏斗较平缓。

(2)导洞2 的开挖施工造成的地层变形相对导洞1 的较大，地表沉降的范围扩大到隧道中心线左右20 m 范围内。

(3)导洞3 的开挖施工完成后，隧道开挖断面中隔墙以上完全形成空洞，这对地层变形的影响极大。所以导洞3 开挖完成后的地表沉降量突然大幅度增加，其中最大沉降量为9.23 mm，且隧道开挖施工形成的地表沉降漏斗相对较陡。这主要是由于中隔墙以上断面形成空洞后对地层的竖向影响较明显，而对横向影响相对较弱。

(4)导洞4 开挖完成后，对地表沉降的影响加速，但比导洞3 的增速要小，最大地表沉降量为11.39 mm。导洞开挖完成后，隧道开挖断面形成完整的空洞，地表沉降变形的影响范围在25 m 左右。

对最终沉降变化曲线研究分析知:隧道开挖施工及支护过程中诱发的累计地表沉降最大值为15.76 mm，隧道导洞开挖造成的地表沉降量占最终沉降量的72.34%，由此分析可知，影响地表沉降变形的因素主要来自隧道的开挖施工。地表沉降变形形成的沉降漏斗明显，影响范围扩大至隧道中心线左右俩侧30 m 左右。地表沉降最大值位于隧道的中心轴线处，且引起的最终地表沉降能够满足地表沉降控制标准的要求。

2.3.2 隧道纵向地表沉降变形分析

隧道开挖断面距地表监测断面的距离与纵向地表沉降量的变化密切相关，沉降量的大小会随着隧道开挖施工工序的推进实时动态变化。现选取典型监测点X3、A4、X6 的地表沉降量进行分析研究。以隧道开挖断面距离典型地表监测点的距离为横坐标，开挖断面到达监测点之前的距离为负值，穿过监测点时距离值为正;以地表的最终累计沉降量为纵坐标，由此可得典型地表监测点距离隧道开挖断面距离与地表沉降量的变化曲线。数值模拟结果见图5(纵向地表沉降变化图)。由头5 可见，在隧道开挖断面未到达监测点时，地表沉降的幅度较小，即所谓的先行位移;一旦开挖断面推进到地表沉降监测点时，隧道开挖施工引起的地表沉降大幅度增大，且沉降速率较大。沉降监测点X3、A4、X6 处的累计沉降量分别达到5.29 mm、4.54 mm、5.09 mm，该阶段的累计地表沉降量占整个开挖影响阶段的20%～40%左右。该阶段地表沉降较快的范围基本处在开挖断面越过地表监测点一倍左右的洞径。之后由于隧道开挖施工引起的地表沉降逐渐变弱，即隧道初衬发挥作用，隧道围岩变形逐步达到稳定。

2.3.3 隧道开挖断面横向地表沉降变形分析

根据FLAC 数值模拟结果，针对隧道开挖中围岩特性及模拟监测点的地表沉降结果，结合1—1 剖面的横向地表沉降变形结果，综合预测地铁隧道CRD 法施工引起的最终横向地表沉降量。

图5 纵向地表沉降变化图

图6 为横向地表沉降变化曲线图。经研究分析可知，CRD 法施工引起地表沉降曲线图呈现Peck 公式的变化分布趋势，沉降槽明显，沉降槽的影响范围大约在隧道中心轴线左右两侧30 m。结合现场施工开挖进度，可知当隧道开挖断面初衬封闭成环，支护体系承载能力提高，隧道围岩变形逐步稳定，即地表沉降变形也趋于稳定。根据横向地表沉降监测结果，获得该区间监测断面处地表沉降变形的最大值为15.76 mm，满足地表沉降控制标准。

图6 横向地表沉降变化曲线图

3 实测结果与FLAC数值模拟结果对比

3.1 监测方案

地表沉降量的大小能最直接地反映隧道开挖施工支护措施是否得当，为判断隧道整体稳定性提供准确的信息。本施工段隧道下穿东二环道路，道路周边建筑物较多，地表的沉降将影响到建筑物的安全及车辆的安全行驶。现选取该区段研究CRD 法施工对地表沉降的影响。

(1)地表沉降监测点布置。根据施工监测要求，在区间ZDK33 +116～ZDK33 +141 进行地表沉降监测点的布置。现场监测地表沉降点布置图见图7。所布置的沉降监测点分为纵向地表沉降监测点和横向地表沉降监测点。使用精密监测仪器Trimble 数字水准仪对地表沉降监测点进行及时测量，每次将所测数据与上次数据进行比较分析，获取本次测量的地表沉降量，并将监测数据与地铁隧道未开挖前的高程数据进行比较，由此可知隧道开挖施工引起的地表沉降量累计值。在大量监测数据的基础上，可得到CRD 法施工引起的地表沉降分布曲线及趋势图。

(2)监测点埋设。地表沉降监测点的埋设方法:公路上沉降点埋设，用冲击钻在地表钻孔，然后放入圆头螺纹钢筋(长200～300 mm，直径18～22 mm)，四周用锚固剂或水泥浆填实;竖井周边硬化场地测点布设采取套筒埋设的方式，如图8所示。

(3)地表沉降控制标准。根据相关规范及施工经验制定地表沉降控制标准值，一般地表沉降控制标准是30 mm。

3.2 对比分析

图7 现场监测地表沉降点布置图

图8 地表沉降监测点埋设图

在地铁隧道施工过程中，由于附近建筑物及地下管线众多，施工期间的安全至关重要。针对CRD法施工中的地表沉降，设计完善的施工方案及监测方案，并运用FLAC 数值模拟软件对施工方法及工序的可行性进行模拟分析;同时，运用监测仪器对地表监测点进行实时监测，并将实测数据与模拟数据进行对比研究，进一步分析验证施工及监测方案的合理性。数据对比分析图见图9。

关于隧道开挖施工引起的纵向地表沉降，由图9 可知，FLAC 数值模拟结果与现场实测数据的变化趋势基本保持一致，纵向地表沉降受隧道开挖施工的影响范围大概在2 倍左右的洞径;现场实测数据相对于数值模拟结果较大，这主要是由于在数值模拟中对地层进行了简化设置，另外现场施工条件复杂，无法完全模拟现场开挖施工情况。FLAC 模拟的纵向地表沉降最大值为18.23 mm，而实测地表沉降最大值为19.47 mm，二者相差1.24 mm。根据地铁隧道施工引起的地表沉降控制标准可知，FLAC模拟结果与实测地表沉降量均能满足地表沉降的控制标准。

图9 实测数据与模拟数据对比分析图

关于隧道开挖施工引起的横向地表沉降，由图9 可知，FLAC 数值模拟结果与现场实测数据的变化趋势基本保持一致，隧道开挖施工引起的最大地表沉降在隧道中心线左右处，这与经验法Peck 的变化曲线保持了较好的一致性。FLAC 模拟的横向地表沉降量最大值为15.76 mm，而实测地表沉降最大值为17.01 mm，实测数据比数值模拟大8%左右。这主要是由于施工现场条件较为复杂，在数值模拟分析过程中，对附加荷载的作用范围进行了简化，未考虑土层中的孔隙水影响等因素。地表沉降实测值及数值模拟结果均满足地表沉降控制标准。

上述监测数据与FLAC 数值模拟结果的对比分析，进一步说明了在该区间采用CRD 法施工的科学性、合理性和安全性。

4 结论

(1)CRD 法施工引起的纵向地表沉降基本遵循“缓慢变化—急剧变化—缓慢变化—基本稳定”的规律，最大地表沉降值为19.47 mm。横向地表沉降的变化基本遵循经验法Peck 公式的变化规律，在隧道中心线上方的地表沉降监测点变形突出，隧道中心线左右两侧的测点沉降变形较小，地表变化总体上呈现漏斗状，沉降槽较明显;横向地表沉降影响范围由隧道中心线向左右两侧达到3 倍左右的洞径，最大地表沉降值为17.01 mm。

(2)浅埋大断面隧道由于距离地表近、开挖跨度大，再加之CRD 法施工工序复杂，使得施工工序对地表沉降的影响很大。通过采用超前小导管注浆、及时架立钢拱架及初支尽快封闭成环等控制措施，使得CRD 法施工诱发的地表沉降能满足控制标准。

(3)FLAC 数值模拟预测值与实测值相吻合，均处在地表沉降变形的允许范围之内。这说明浅埋大断面隧道采用CRD 法施工能够较好地控制地表沉降。

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