城市地铁隧道施工引起的地表沉降研究

朱卫东， 杨文定

(1.江苏联合职业技术学院 南京工程分院 地质工程系， 江苏 南京 210036； 2.江苏省地质矿产厅技术处， 江苏 南京 210018)



城市地铁隧道施工引起的地表沉降研究

朱卫东1， 杨文定2

(1.江苏联合职业技术学院 南京工程分院 地质工程系， 江苏 南京 210036； 2.江苏省地质矿产厅技术处， 江苏 南京 210018)

城市浅埋暗挖地铁隧道引起的沉降问题是及难控制的隧道施工关键性问题。从理论与实际两个角度出发，结合有限元计算，对石家庄地铁1号线双侧壁导坑法施工方案进行数值模拟，验算了隧道开挖过程中地表变形沉降情况。对施工段进行了沉降监测方案设计与监测，将监测结果及时反馈给施工方。结果表明理论计算最大竖向沉降量产生在拱顶正上方位置，为45 mm。实际监测最大竖向沉降量产生在拱顶正上方位置，为70 mm，实际值约为理论值的1.5倍；实际值与理论值数据沉降变化趋势基本一致，证明利用有限元数值模拟的可靠性与实用性。

浅埋暗挖； 沉降监测； 双侧壁导坑法

0 引言

随着社会经济迅速发展，城市交通日益拥挤，我国地铁建设进入快速发展时期，许多城市存在大量在建地铁工程。我国地铁工程建设虽发展迅速，但起步较晚，施工技术较国际先进水平存在一定差距[1]。当前较为先进的方法为盾构法，由于施工技术以及周围环境与岩土介质的复杂多样性，在施工过程中产生的地表沉降是不能消除的，在城市条件下，高楼林立，地表沉降将会对周围的高层产生重大影响[2]。在地铁隧道施工过程中必须严格将地表沉降控制在一定范围内，以免发生重大安全事故。为减少隧道施工引起的地表沉降，首先需选定合理的施工工艺，进行合理的支护措施，并对地表沉降变形做出正确估计[3]。地表变形主要指不均匀沉降以及地表倾斜，隧道施工引起的变形主要是由于施工过程中洞口周围受到扰动以及受到剪切破坏的土体再固结导致的[4]。本文根据土体的沉降变形机理，首先进行施工方案设计并进行有限元理论计算，然后结合实际情况，对正在施工路段进行变形监测，通过理论计算与监测分析两方面验算了施工方案的可行性，以确保工程建设顺利进行，促进我国的浅埋暗挖地铁隧道施工技术进步。

1 工程概况

石家庄地铁1号线总长40 km，西起西王站，东至洨河大道站，是城市东西方向骨干线路，衔接对外交通枢纽与城市重要功能节点。设地下车站20坐，工程总投资为173.2亿元，计划工期4年9个月，预计2017年9月通车试运营。1号线地铁隧道施工属于浅埋软弱围岩施工，常见隧道施工方式主要有以下3种：台阶法、中隔壁加台阶法以及双侧壁导坑法[5]，由于地质条件较差，石家庄1号线施工方式为双侧壁导坑法。本文针对双侧壁导坑法进行数值模拟，双侧壁导坑法开挖步序如图1所示，共分为5个步骤： ①左导坑上部开挖； ②右导坑上部开挖； ③左导坑下部开挖； ④右导坑下部开挖； ⑤核心土开挖。

图1 双侧壁导坑法Figure 1 Double side heading method

1.1 有限元模拟

结合石家庄地铁洞口实际工程情况，以隧道里程桩号为K9+180处大断面为计算原型，模型尺寸按照1∶1实际尺寸选取，如图2所示，根据岩土勘察报告显示该段隧道为Ⅵ级围岩，岩性及差，且埋深较浅，跨径最大，沉降量难以控制，对整个隧道施工建设具备十分重要的研究价值。模型计算范围取自隧道底部15.2 m开始至隧道顶部地表处，隧道两侧计算范围取洞径的3倍，模型两侧设置水平约束，底部设置竖向约束，地表为无约束自由面。

图2 计算模型几何尺寸(单位： m)Figure 2 Calculation model geometry(unit： m)

结合岩土勘察报告以及隧道实际水文地质情况，查阅规范给出了容重、泊松比、凝聚力等模拟材料参数如表1所示。

表1 材料物理力学参数一览表Table1 Listofphysicalandmechanicalparametersofma-terials围岩及支护结构容重/(kN·m-3)弹性模量/GPa泊松比凝聚力/MPa内摩擦角/(°)C30钢筋混凝土25230.2——Ⅵ级围岩170.80.380.222锚杆和钢拱架782000.3——加固体205.10.250.840

对模型计算范围进行有限元网格划分，网格划分至关重要，其疏密程度影响着计算速度与计算结果的精确性，针对本文计算采用二维实体结构单元，不考虑空间效应，采用手工划分网络模型，最终得到的网络模型如图3所示。

图3 模型网格划分示意图Figure 3 Schematic diagram of model grid

1.2 结果分析

通过ANSYS9.0软件进行有限元计算得到双侧壁导坑法施工时各个关键工序引起的地层竖向位移云图如图4～图6所示。

根据图4～图6，采集地表竖向位移数据，得到各开挖阶段断面竖向沉降值如图7所示。

图4 左导坑上部开挖竖向位移云图Figure 4 Left upper vertical displacement nephogram of heading excavation

图5 右导坑上部开挖竖向位移云图Figure 5 Right upper part of the vertical displacement nephogram of heading excavation

图6 核心土开挖竖向位移云图Figure 6 Vertical displacement of core soil excavation

图7 各开挖阶段断面竖向沉降曲线Figure 7 Vertical settlement curve of each excavation stage

根据图7可知：双侧壁导坑法开挖的沉降理论计算最大值为40 mm，在左上部开挖阶段，由于无法进行支护措施，导致此阶段沉降量最大，约为23 mm，最大沉降值产生在隧道左侧位置，右上部开挖以后，隧道左右沉降值基本对称，最大沉降点产生在隧道中轴线两侧，约为30 mm，此时中轴线上沉降值约为24 mm，在左上部以及右上部开挖完成以后，可进行初期支护以减小沉降量，因此在左下部以及右下部开挖过程中，沉降量并不明显，完成右下部开挖工序后，最大沉降值依旧在中轴线两侧，约为35 mm，中轴线沉降值略小于35 mm，这是由于核心土的存在，对中轴线上土体具有支撑作用。最后进行核心土的开挖，核心图开挖是控制沉降的关键步骤，在核心土开挖前，必须对洞口左右两侧进行合理支护。从整体上来看，双侧壁导坑法开挖后三个步骤的开挖土方量占到了总开挖土方量的70%左右，其导致的地表沉降量仅占总沉降量的50%左右，有效的减小了地表沉降，说明了双侧壁导坑法开挖的科学实用性。

2 工程沉降监测

由于实际工程环境复杂多变，存在诸多不确定因素，理论与实际并不能完全同步，实际监测沉降值往往大于理论计算值。为确保理论计算的科学可靠性，必须进行实例检测验证，得到理论值与实际值之间的差距范围，以此及时修正支护参数。因此，浅埋暗挖隧的监控测量工作是必不可少的。

2.1 测点布置

结合石家庄市地图线路施工进度现状，共设置了14个地表监测断面，断面间距9～10 m，断面编号为Ⅱ-1、Ⅱ-2……、Ⅱ-14，每一断面埋设13个监测点，间距5 m，如图8，图9所示。基点(不动点)设于三倍洞径外，测点埋设深度为25 cm，采用钢筋混凝土钻孔浇筑，并将预埋件固定于现浇混凝土之上，浇筑完毕后加以养护。在距离掌子面10 m左右时刻测度并记录初始数据。

图8 监测断面测点布置Figure 8 Layout of monitoring section

图9 地表测点埋设Figure 9 Buried surface measuring points

2.2 量测仪器、方法及频率

采用ds03精密水准仪(见图10)与刚挂尺进行地表沉降监测，观测精度为0.1 mm，测得测点与基准点相对高差，进而计算出沉降量变化；水平收敛采用JSS30A 型精密收敛计(见图11)，观测精度为0.01 mm。

图11 JSS30A 型收敛剂Figure 11 JSS30A Convergence agent

观测频率：观测断面距掌子面5 m左右开始观测，每天早6：00、晚6：00各记录一次观测数据，并与双侧壁导坑法施工步序相结合，确保在每一施工步序记录足够的数据，若出现异常位移突变，需及时反馈给施工方并增加监测频率，延长监测时间；直至地表位移速度小于0.1 mm/d，水平收敛位移速度为 0.1～0.2 mm/d，认为围岩基本稳定，可停止监测。

2.3 监测结果分析

选取Ⅱ-5断面为例，对监测数据结合开挖工序进行处理，得到各测点在各个施工步下的沉降情况如图12所示。

图12 Ⅱ-5断面地表沉降与施工步关系直方图Figure 12 Relationship between surface subsidence and construction step

根据图12可知：左上部开挖与右上部开挖阶段导致地表产生较大变形，在左上部开挖阶段，左导坑正上方测点(6号测点)沉降值高达36 mm，约占该点总沉降变形量的60%，在此阶段核心土正上方测点(7号测点)的沉降值也高达34 mm，约占3号测点总沉降量的50%。结合直方图横向来看，第二步开挖过程沉降量总体上来说约为第一步开挖沉降量的55%左右，这是由于在第一步开挖过程中已经导致水分大量迁移，降低了右导坑围岩含水率，至使围岩强度提高。在下左部、下右部开挖阶段沉降值大大降低，这是由于在上右部开挖以后进行了初期支护，削弱了集中应力。在第五步核心土开挖后，沉降值较右下部开挖阶段增大不少，3个测点沉降值都在15 mm左右，这是由于核心土对整个隧道结构存在较大支持作用，开挖核心土以后，拱顶部位围岩失去支撑，应力急剧变化，发生卸荷效应。因此在核心土开挖以前，必须加强初期支护工作，保障结构稳定。根据图12中数据可得到各开挖阶段断面竖向沉降曲线趋势变化如图13所示。

图13 各开挖阶段断面竖向沉降曲线Figure 13 Vertical settlement curve of each excavation stage

对比图13与图7可知：实际监测值与理论计算值数据变化趋势基本一致，表明了理论计算方法的科学实用性，实际检测值大于理论计算值，这是由于理论计算进行了模型假设，消除了许多不确定因素。总体来说，实际监测沉降值约为理论计算沉降值的1.5倍，可作为日后施工设计的参考值进行设计。

3 结论

本文以石家庄地铁1号线为依托工程，首先进行了双侧壁导坑法的有限元理论计算，然后结合实际施工过程中的沉降结果，从理论与实际2个方面进行研究，得出以下结论：

① 通过ANSYS9.0软件进行了沉降量的模拟计算，最终得到了在双侧壁导坑法施工方案下各施工步骤的地表沉降值，施工结束后的最大沉降值约为40 mm；双侧壁导坑法开挖后3个步骤的开挖土方量占到了总开挖土方量的70%左右，其导致的地表沉降量仅占总沉降量的50%左右，有效的减小了地表沉降。

② 进行了测点布置，设计了监测方案，对监测沉降数据进行分析得出结论在左导坑上部开挖阶段，左导坑正上方测点(6号测点)沉降值高达36 mm，约占该点总沉降变形量的60%。核心土开挖后，沉降值较右下部开挖阶段增大不少，在核心土开挖前进行初期支护，可高效降低核心土开挖阶段产生的沉降量。

③ 通过对比可知理论计算结果与监测数据结果变化趋势具有一致性，证明了利用有限元数值模拟的可靠性与实用性，同时也表明了石家庄地铁1号线采取双侧壁导坑法的合理性。

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Research on Ground Surface Subsidence Caused by Metro Tunnel Construction

ZHU Weidong1， YANG Wending2

(1.Jiangsu Union Technical Institute Nanjing Branch， Geological Engineering， Nanjing， Jiangsu 210036， China； 2.Department of Geology and Mineral Resources of Jiangsu Province， Nanjing， Jiangsu 210018， China)

Settlement caused by shallow underground excavation metro tunnel is difficult to control the construction of the key issues of the construction of the tunnel.In this paper，from both the theoretical and practical perspectives of combined with finite element method，numerical simulation of Shijiazhuang Metro Line 1 bilateral wall heading method construction scheme，checking the tunnel excavation process in the deformation of the ground surface settlement.The settlement monitoring scheme is designed and monitored in the construction stage，and the monitoring results are timely feedback to the construction side.The results show that the theoretical calculation of the maximum vertical settlement is generated at the top of the roof，which is 45 mm.The actual monitoring of the maximum vertical settlement in vault is positioned at the top，70 mm，the actual value is about theoretical value of 1.5 times；the actual value and theoretical value data settlement trends are basically the same，show the reliability and practicability of using finite element numerical simulation.

shallow buried excavation； settlement monitoring； both side drift method

2016 — 07 — 12

江苏省教育科学“十二五”规划课题(B-b/2015/03/067)

朱卫东(1967 — )，男，江苏东海人，讲师，主要研究领域为地质资源勘查。

U 456.3

A

1674 — 0610(2016)05 — 0195 — 05