高寒地区地铁隧道沉降规律研究

王家琛，赵建昌，刘欣洋，刘伟伟

（兰州交通大学土木工程学院，兰州 730000）

随着我国城市建设的发展， 地铁给人们生活带来了极大的便利，但同时在地铁修建过程中出现的安全事故，如开挖过程中出现的隧道塌陷、地下管线变形、地表建筑物倾斜倒塌事故等时有发生，造成了许多不良社会影响。为了预防安全事故发生，施工过程中必须对隧道开挖造成的沉降采取行之有效的监控措施来确保施工安全高效地进行，国内外有许多学者对暗挖隧道施工造成地层扰动的规律做了大量研究[1-7]。

哈尔滨位于我国的高寒地区，最冷月平均温度为-19.7℃，最大冻土深度为1.97 m，冻土层每年3月中旬开始解冻，到6月初彻底解冻。在这样的高寒环境条件下，地铁隧道施工的沉降监测工作对施工安全尤为重要。以哈尔滨轨道交通3号线2期湘会暗挖区间隧道施工为工程背景，以现场实测数据为基础，研究隧道采用台阶法开挖时造成地表沉降和隧道拱顶沉降的变化规律，并分析施工步序对拱顶沉降产生的影响，其结果可对高寒地区地铁隧道施工监控提供参考。

1 工程概况

哈尔滨市轨道交通3号线2期湘会区间，自湘江路站起，自南向北沿红旗大街敷设至会展中心站止。区间右线起点里程为 DK20+656.781，终点里程为DK21+381.884，右线长度723.803 m；左线起点里程为DK20+656.781，终点里程为DK21+382.621，左线长度721.489 m。根据地质勘察资料，区间隧道所处地层从上到下依次为地表杂填土、粉质黏土、砂层，地层稳定、连续。场地内含水层为第四系砂砾石孔隙含水层，主要赋存于第四系中更新统下荒山组冲积层和下更新统东深井组冰水堆积层的砂层中，区段地下水类型主要为孔隙承压水。

1.1 研究区段概况

研究区段隧道拱顶埋深为13 m，隧道开挖最大高度6 510 mm，最大宽度6 200 mm。隧道开挖基本在粉质黏土层中进行，小部分区段开挖面底部位于粉质黏土层与砂层交界处。隧道开挖前设置超前小导管注浆，隧道内初期支护采用钢格栅挂网喷锚支护体系。区间隧道采用台阶法施工，分为上下两级台阶，预留核心土，隧道开挖断面如图1所示。

隧道设计支护主要参数为：拱部120°范围内设置超前小导管，φ42@300 m，长度2.5 m，两榀一打，预注浆液；单层φ6@150 mm×150 mm钢筋网；纵向联结筋φ22，间距1 m，内外双排；钢格栅间距0.75 m；喷射混凝土强度为C25。开挖步序如图2所示：第1步上台阶开挖；第2步上台阶支护；第3步核心土开挖；第4步下台阶开挖；第5步下台阶支护。

图1 隧道开挖断面Fig.1 Diagram of tunnel working face

图2 隧道开挖步序Fig.2 Process flow of tunnel excavation

1.2 监测点布置说明

区间隧道每10 m布置一个监测断面，在32排和33排之间布置有地下水位监测点DXS-3，地表监测点布置如图3所示。隧道纵向开挖监测点布置如图4所示，隧道横向监测点布置如图5所示。现场测量仪器及控制值见表1，地层分布情况见表2。地铁施工顺序为先施工右线小里程方向，再施工左线大里程方向。

图3 地表监测点布置Fig.3 Layout map of surface monitoring points

图4 隧道开挖纵向监测点布置Fig.4 Layout of longitudinal monitoring points for tunnel excavation for tunnel excavation

图5 隧道开挖横向监测点布置Fig.5 Layout of transverse monitoring points for tunnel excavation

表1 现场测量仪器及控制值Tab.1 Measuring instruments and control values

表2 隧道开挖土层参数Tab.2 Properties of soil layers

由于哈尔滨地处我国高寒地区，冬季气温极低，地表监测点内钢筋会由于土体发生冻胀而产生较大的抬升，而到春季气温回升后监测点内钢筋又会发生较大的下沉，对监测结果造成影响。故在高寒地区进行监测作业时，需要采取以下措施保证监测精度：1)在布设地表沉降监测点时，监测点内钢筋一定要穿透最大冻土层深度，避免冻胀对监测结果产生影响；2)进行除水作业，避免监测点内积水结冰冻住保护盖和钢筋；3)若监测点内出现结冰现象应先除冰再进行监测，除冰过程中不得对钢筋本身造成扰动；4)从基点引出高程时，应对尺垫放置的路面进行除冰，不得将尺垫直接放置于冰面上；5)在监测进行前应对监测设备进行预冷，监测过程中注意及时除去钢尺底部的结冰。

2 现场监测数据分析

2.1 纵向地表

2.1.1 纵向地表沉降规律分析

地表沉降监测点32-0累计沉降值变化曲线如图6所示，实测最大累计沉降值为-11.35 mm。32-0监测点沉降曲线可以划分为4个阶段：第1阶段为上台阶进尺0～10 m的微小沉降阶段，此阶段上台阶掌子面从监测断面前20 m推进到监测断面前10 m处；第2阶段为上台阶掌子面进尺10～30 m的急剧沉降阶段，此阶段上台阶掌子面从监测断面前10 m推进到监测断面后10 m处；第3阶段为上台阶掌子面进尺30～50 m的缓慢沉降阶段，此阶段上台阶掌子面推进到监测断面后30 m处；第4阶段为上台阶进尺50 m以后的沉降稳定段，此时上台阶掌子面推进到监测断面30 m以后。不同沉降阶段累计沉降数值见表3。

图6 地表32-0监测点累计沉降值Fig.6 Accumulated settlement curve of monitoring point 32-0

表3 32-0监测点不同阶段累计沉降值Tab.3 Accumulated settlement at different stages of monitoring point 32-0

地表沉降监测点33-0累计沉降值变化曲线如图7所示，实测最大累计沉降值为-11.42 mm。图中结果表明，地表33-0监测点沉降曲线也可以划分为4个阶段：第1阶段为上台阶进尺10～20 m的微小沉降阶段，此阶段上台阶掌子面从监测断面前20 m推进到监测断面前10 m处；第2阶段为上台阶掌子面进尺20～40 m的急剧沉降阶段，此阶段上台阶掌子面从监测断面前10 m推进到监测断面后10 m；第3阶段为上台阶掌子面进尺40～60 m的缓慢沉降阶段，此阶段上台阶掌子面推进到监测断面后30 m处；第4阶段为上台阶掌子面进尺60 m以后的沉降稳定段，此时上台阶掌子面推进到监测断面30 m以后。不同沉降阶段累计沉降值见表4。

图7 地表33-0监测点累计沉降值Fig.7 Accumulated settlement curve of monitoring point 33-0

表4 33-0不同阶段累计沉降值Tab.4 Accumulated settlement at different stages

地下水位监测点 DXS-3在隧道开挖过程中水位变化情况如图8所示。在隧道开挖过程中，监测点附近的地下水位在隧道上台阶进尺0～10 m时下降最为明显，在上台阶进尺10 m后水位持续下降但下降速度明显减缓。

图8 DXS-3监测点水位变化Fig.8 Groundwater level variation curve of DXS-3 monitoring point

通过对以上两个地表沉降监测点累计沉降值变化规律以及附近地下水位变化情况的分析得出，以上两个监测点表现出了相同的沉降规律特征，即在上台阶掌子面推进到距监测断面前10～20 m(前1.6 B～3.2 B)范围时，监测断面处的地表会产生微小的沉降，此阶段的地表沉降主要是由于隧道掌子面开挖对前方土体造成了扰动以及施工段地下水位下降造成开挖前方土体失水固结产生的。在隧道上台阶掌子面通过监测断面前10 m到通过监测断面后10 m(前1.6 B～后1.6 B)范围内，监测断面处地表会产生较大的沉降变形，通常此阶段沉降值占到总沉降值的60%以上，沉降较大的原因是监测点下方土体的开挖直接造成了原土体边界条件改变，引起土体应力重分布，导致土体变形较大。在上台阶掌子面推进到监测断面后10～30 m(后1.6 B～4.8 B)范围内，此阶段内监测断面处地表沉降仍在继续，但是趋势明显减缓，累计沉降值通常占总沉降值的20%左右。当上台阶掌子面推进到监测断面30 m (4.8 B)以后，该监测断面处地表沉降进入稳定阶段。

故在现场进行施工监测作业时，在隧道纵向方向，当上台阶掌子面通过监测断面前1.6 B到通过监测断面后4.8 B范围内时，应对该监测断面处的地表沉降加强量测，当上台阶掌子面通过监测断面4.8 B以后，可酌情减少该断面地表沉降监测频率。

2.1.2 冻融对纵向地表沉降影响

右线小里程方向隧道于5月初开始施工，到上台阶进尺50 m时，整个施工过程均处于冻土融化期内。左线大里程方向隧道于6月初开始施工，在隧道施工过程中冻土层已基本融化。

为了研究冻土融化对地表沉降造成的影响，将右线小里程监测点27-0和左线大里程监测点32-0的累计沉降值进行对比，其曲线如图9所示。冻融期施工隧道在上台阶到达监测断面前，27-0监测点处地表就已经产生了较大沉降。当隧道上台阶通过监测点下方时，27-0监测点处的累计地表沉降大小和沉降速率明显大于32-0监测点。当两条隧道上台阶进尺分别达到50 m时，27-0监测点累计沉降值为56.05 mm，32-0监测点累计沉降值为11.32 mm，相差接近5倍。

图9 监测点32-0和27-0累计沉降值对比Fig.9 Comparison of cumulative settlement values between monitoring points 32-0 and 27-0

随着冻土层的解冻，右线小里程隧道施工过程中出现了渗水、涌砂等的现象，施工方及时采取加密钢格栅间距和增加临时仰拱等方法保证施工安全，减小了冻融给隧道施工带来的影响。

2.2 横向地表沉降规律分析

2.2.1 横向地表沉降范围分析

第32排、33排地表沉降监测点横向沉降曲线如图10所示。图中结果表明，位于隧道中线正上方处地表沉降变化最为明显，地表最大沉降值随着距隧道中线的距离增加而减小，距隧道中心线两侧20 m(3.2 B)范围外的地表沉降值很小，具体数值见表5。

故在现场监测时，在隧道开挖横向方向，应对距隧道中心线3.2 B范围内的地表沉降监测点加强量测，对3.2 B范围外的监测点可适当减少监测频率。

图10 第32、33排地表沉降监测点最大沉降值Fig.10 Maximum settlement curve of row 32nd and 33rd monitoring points

表5 32、33排地表沉降值Tab.5 Surface settlement value of row 32nd and 33rd monitoring points mm

2.2.2 横向地表沉降数学表达式

美国土力学家Peak 1969年在国际土力学大会上发表了基于正态分布曲线的方法。该方法是用来描述隧道开挖时横向地表沉降槽最常用的方法之一。其公式表达为

式中，y为任意一点地表沉降值；ymax为地表最大沉降值(位于隧道中心线处)；x为曲线对称中心到所计算点的距离；i为沉降槽宽度，即曲线对称中心到曲线拐点之间的距离。

O’Reilly和New根据施工经验，得出

式中，k为沉降槽宽度系数，和不同的土壤类型有关；z0为隧道埋深。只要证明隧道横向地表沉降曲线符合Peak公式，就能利用式(2)计算出当地沉降槽宽度系数k，为以后本地区类似土质地铁的修建提供参考。

将式(1)两边取对数，得到

图 11 第32排 - ln ( y / y max)与x2关系散点图及拟合曲线Fig.11 Scatter plot and curve fitting of - ln ( y / ymax)and x2

将所计算的i=10.2代回到式(1)，绘制出式(1)曲线与地表32排监测点沉降曲线，如图12所示，从图中可以看出，计算结果曲线与实测结果曲线吻合较好。

2.3 隧道拱顶沉降变形分析

隧道拱顶沉降监测点G32与上台阶掌子面开挖进尺的关系曲线如图13所示。受到隧道开挖方式以及场地限制等原因，对隧道拱顶沉降的现场监测要等开挖完成后才能进行，导致部分监测数据损失。但G32正上方的地表沉降监测点32-0并不受开挖方式限制，并且可以反应其正下方拱顶沉降监测点 G32的沉降情况，故用32-0的前期沉降数据来补足G32监测前期所缺少的数据。

图12 计算曲线与实测曲线对比Fig.12 Comparison between calculated curve and measured curve

图13 G32累计沉降值Fig.13 Accumulated settlement curve of G32

图13 中结果表明，隧道拱顶沉降变化曲线可以分为3个阶段：第1阶段为上台阶掌子面通过到监测点前10～20 m(前1.6 B～3.2 B)范围内，此阶段监测点会有微小的沉降产生，分析认为此段沉降是由于开挖面对前方土体造成扰动以及地下水位下降土体固结产生的；第2阶段为上台阶掌子面通过监测点前10 m到通过监测点后20 m(前1.6 B～后3.2 B)范围内，此阶段拱顶沉降急剧增加，90%以上的沉降发生在此阶段，分析认为由于监测点下方土体的直接开挖导致土体边界条件改变，引发了较大的变形；第3阶段为上台阶掌子面通过监测点20 m(后3.2 B)以后，此阶段沉降基本保持稳定。具体沉降数值见表6。

故在现场施工中，开挖上台阶前方土体时做好超前支护工作，在开挖完后尽快完成上台阶喷混等初期支护体系的设置并且在开挖完成后加强量测。在上台阶掌子面通过该监测点3.2 B以后，可以酌情减少该拱顶沉降监测点的监测频率。

表6 G32不同阶段累计沉降值Tab.6 Accumulative settlement value of G32 in different stages

为了更好地分析隧道开挖步序对拱顶沉降的影响，隧道开挖步序与拱顶沉降监测点G32累计沉降值变化关系如图14所示。在隧道上台阶开挖的过程中，隧道拱顶沉降变化速率较快，在上台阶开挖完成设置初期支护以后，隧道拱顶沉降的变化速率明显变小。说明在施工过程中，初期支护的设置能够有效减小拱顶沉降的变化，防止隧道结构变形。

图14 拱顶累计沉降与开挖步骤关系Fig.14 Relationship curve between accumulative settlement of vault and excavation steps

3 结论

1) 隧道开挖时纵向地表沉降可以分为4个阶段，主要沉降发生在上台阶掌子面通过监测断面前 1.6 B到通过监测断面后4.8 B范围内；高寒地区冻融现象会对地表沉降产生较大影响。

2) 隧道开挖时横向地表沉降主要发生在距隧道中心线两侧3.2 B范围内，隧道拱顶正上方地表沉降最大，向隧道两侧沉降逐渐变小，通过现场实测数据确定沉降槽宽度参数k = 0.78，给出横向地表沉降数学表达式，为日后同地区类似土质地铁修建提供参考。

3) 隧道开挖时拱顶沉降可以分为3个阶段，沉降主要发生在上台阶掌子面通过监测点前1.6 B到通过监测点后3.2 B范围内，此阶段内的沉降值占到总沉降值的90%以上。

4) 在隧道开挖过程中，上台阶的开挖对隧道拱顶沉降影响最大，在上台阶开挖完成后及时设置初期支护体系能有效减小拱顶沉降速率；在冻融期施工的隧道必须考虑冻融带来的影响，采取相应措施减少冻融带来的隐患，保证施工安全。