浅埋暗挖大跨度隧道地表沉降及施工技术研究

赵 杰

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116100）

1 工程概况

青岛地铁四号线错埠岭站所处辽阳西路较平坦，地势东高西低，西端地面标高28.3 m，东端地面标高32.4 m，地面提升高度4.1 m 左右。车站有效站台中心里程YDK8+885.500，起讫里程YDK8+800.745—YDK9+022.245，总长221.5 m，轨面高程为-1.000 m，拱顶埋深12.5～17.28 m，覆岩2.5～8.5 m。错埠岭站主体采用双侧壁导坑法分三层九部开挖施工，车站两端设置1 号、2 号施工竖井，并在新业广场停车场内设置临时施工竖井，临时施工竖井及横通道兼做部分B 出入口通道。

2 数值模拟与结果分析

2.1 建立模型

在MIDAS 软件无法直接导入CAD、REVIT 等模型，因此将图纸尺寸按1∶1 在MIDAS 软件中绘制，并以此绘制图作为隧道模型。

在MIDAS 软件的模型绘制过程中，X、Y、Z 三坐标分别代表错卜岭隧道的轴向、横向以及纵向。应用圣维南原理可以得到，施工过程中的扰动作用范围主要在隧道洞径3 倍范围内，故X、Y、Z 三轴均选取3～5 倍洞径的距离绘制隧道整体模型，隧道最底处埋深40 m，并在隧道周围及内部设置锚杆及初支。紧随隧道之后是土层的绘制，需要注意的是，由于参数相近，此处将回填土和黏土统一设置成全风化土层，砂土层及页岩土质层统一设置成半风化土层，各类岩石土质层设置为硬岩层，分别位于模型上、中、下三层。

隧道X、Y、Z 轴数据分别设置为120 m、60 m、100 m，拱顶处埋深为20 m，施工步序为2 m/d，模拟开挖方式采用双侧壁导坑法，每个导洞划分为30 个模块，14 个导洞共420 个模块。

2.2 参数选取

模型简化的三种土层和初支（喷混）的各项参数，需要结合地质勘察资料进行分析。

初期支护的主要施做方法为现浇混凝土，其力学性能参数参考《地铁设计规范》确定。模拟过程忽略锚杆及钢拱架，因此其强度应折算进初支中，由此得出初期支护弹性模量计算式。

2.3 地表沉降规律分析

模拟隧道施工主要研究内容为地表沉降槽曲线走势、最大沉降数据、沉降横向偏移情况以及随着施工进行中的沉降走势。本文通过数值模拟云图对所研究内容进行图像化展示。

对比分析不同阶段的地表沉降云图可得，在轴向地质变化不大的情况下，沉降曲线呈双V 字形分布。具体过程为施工初期阶段，沉降影响范围向两侧扩展，最大沉降值也在增加，上导洞打通后，沉降范围及最大沉降值随施工过程的变化逐渐减小。整个施工过程中沉降影响范围可达隧道中线左侧20 m 至右侧15 m 之间，最大沉降值发生在隧道中线偏左5 m 处，其最大沉降量约为25 mm。用Origin 软件绘制成地表总沉降曲线图进行对比分析，如图1 所示。其中工况1 为上断面上导洞打通时的沉降槽曲线，工况2 为上断面打通时的沉降槽曲线，工况3 为隧道打通时的沉降槽曲线，横坐标为隧道偏移量，纵坐标为沉降量。

图1 地表总沉降槽曲线

右侧地表沉降明显低于左侧，主要是模型设置中，为了符合实际地形情况而设置的左高右低，其左右高度差最大约为10 m。

由此可得，在有充足的支护衬砌的支撑之下，上导洞的施工对地表沉降量的影响较大，下导洞的施工对于地表沉降的影响较小。地表沉降值在沉降槽中轴线两侧基本呈对称分布，其影响区域在中轴线两侧18 m 左右，且隧道施工过程中模拟的地表沉降槽曲线符合基于Peck 公式推出的地表沉降槽曲线。

3 现场实测数据与分析

3.1 隧道主体沉降监测数据

错埠岭站于2018 年7 月1 日复工至2018 年8 月26 日拱部左、右导洞贯通封闭成环完成期间，位于DK8+947 到DK8+990 大约50 m 范围区域地表沉降监测数据呈下沉趋势，截至2018 年8 月26 日，错埠岭站拱部左、右导洞贯通封闭成环完成，封闭成环后监测数据相对稳定无异常变化，地表沉降最大累积达到-97 mm（DBC16-05），地表沉降历史累积变化-85 mm，拱顶沉降最大累积达到-30 mm；2018 年8 月26 日至2018 年10 月6 日2 号竖井与横通开挖期间，地表沉降最大累积变化-2 mm，拱顶沉降最大累积变化-1 mm；2018 年10 月6 日主体右中导洞开始施工至10 月31 日地表沉降累积最大变化-7 mm，拱顶沉降累积最大变化-10 mm。

车站地表沉降监测布点采用沿隧道中线上方密集布设，除此之外的隧道施工影响区布点较为稀疏。

3.2 隧道沉降影响及分析

结合施工工况，在对比分析后，沉降变化呈如下规律：

（1）复工前隧道沉降趋于稳定。沉降过程发生在约两个月的施工阶段，除此之外的沉降过程则发生在2 号横道打通阶段。由此可知施工扰动造成了大范围的松动区，是造成地表沉降的主要原因[1]。

（2）断层破碎带对隧道施工的影响。地表沉降及拱顶沉降偏大区域基本位于F19、F20 断裂构造带影响区域，刚施工至此位置时，即在2018 年8 月10 日左右，拱顶出现较快沉降，表明破碎带厚度、倾角以及水压力等都对施工沉降有较大影响。

（3）隧道沉降发生的时间与开挖工序相对应，当支护结构封闭成环后沉降数据趋于稳定，且沉降持续发生滞后掌子面约20 m。

（4）上层导坑开挖过程中产生的沉降占总沉降量的60%～80%，中层导坑在开挖过程中沉降量在10 mm 左右，远远小于上层导坑开挖时发生的沉降[2]。

3.3 模拟与实测数据对比

模拟过程中取最大沉降点数据，绘制模拟点沉降曲线图，实测数据点取DBC10-06，绘制实测数据沉降曲线图。

实际工程中复工日期为2018 年11 月，所取数据为该日期之后。对比分析两图曲线走势基本相同，都有一段急速下降区域，并最终趋于平缓。两图的区别主要表现在实测数据下降趋急与缓之分，甚至部分时间还会有凸起。这主要是由于该段区域穿越断层破碎带，造成部分阶段的急速沉降，并在之后的支护过程中，注浆过量便会造成沉降数据不降反升。这些现象在模拟曲线中不会出现。

由图可知模拟过程中的沉降总量约为16 mm，而实际测量沉降总量约为33 mm，主要原因是断层破碎带造成的过量沉降没有在施工模拟过程中考虑。但两图的曲线走势几乎相同，因此该模拟过程可以作为实际工程中理论分析所用。

4 沉降控制措施及建议

4.1 超前地质预报

在断层破碎带较多的地质条件下进行隧道施工，超前地质预报是一项必不可少的工作，它可以有效预防突发情况，还可以确保施工进度，并且在预防地质灾害发生、确定施工方案、保障施工安全等方面具有重要作用。青岛地铁4 号线错埠岭站隧道主洞施工前全程采用超前地质预报预测。超前地质预报的种类很多，针对不同的施工环境及地质类型，应采取不同的超前地质预报方法[3]。

4.2 支护手段

（1）开挖后及时进行初期支护，提高围岩的自稳能力，为了保证支护的及时性，调整部分工序，在出碴的同时进行拱架安装及喷砼，缩短支护时间。

（2）施工现场采取有效的拱脚支垫、楔紧措施。

（3）锁脚及边墙锚杆采用锚固剂填塞加注浆措施，减少锚杆浆体等强时间；拱脚位置加密纵向连接筋以增大拱脚纵向整体性强度等措施来控制开挖过程中产生的沉降。

4.3 其他措施

（1）尽可能减少开挖过程中上下台阶跟进时间差及拱部回填时间差，若掌子面自稳性较好应尽可能采用全断面开挖，减少分部，可避免因分部过多而产生的叠加累积沉降。

（2）地表注浆措施对砂层和岩层界面起到了一定的封闭堵水的作用，减少了地下水的流失，对减少沉降较有利。同时，加强初支背后注浆，对初支基面渗漏水部位周期性注浆堵水。

（3）对位于强风化、中风化地层的主体结构中层导坑采取径向注浆加固周边地层，若施工单位工艺可行则优先考虑帷幕注浆加固堵水。

5 结语

综上所述，随着我国经济水平的不断发展和交通压力的逐渐增大，地铁在越来越多的城市得到普及。在城市地铁建造过程中，发生了许多地铁隧道施工引起地表沉降，导致路面损坏甚至冒顶或塌陷的现象，其根本原因是因为施工过程中，机械或爆破造成地下岩土层扰动，致使土层产生变形，造成不同程度的地表沉降或隆起，这种现象给施工安全带来了严重隐患。因此，分析地铁隧道施工过程中地表沉降产生的原因、规律，并采取相应的措施，对于保证隧道的施工安全具有重要意义。