人防隧道雙側擴挖對地表的影響

蘇仲杰，趙 松，楊 逾，周小科，劉晶晶

(遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧 阜新123000)

0 引言

城市交通壓力不斷增加，地鐵已經成為給城市減負的重要措施，而各地復雜的地質和施工環(huán)境無疑是地鐵施工的嚴峻挑戰(zhàn)。國內外學者對此做了大量的研究，包括工程建設對既有隧道的影響、不同工況對圍巖及地表變形的影響以及隧道變形的監(jiān)測技術等［1～4］。但是對人防隧道改造為地鐵隧道的分析較少，楊崢［5］基于數值模擬進行了單邊擴挖支護結構的應力分析，但缺少對圍巖和地表實際變形的系統(tǒng)分析。

人防隧道改造為地鐵隧道工程分為單側擴挖法 (CD工法)和雙側擴挖法 (CRD工法)。本文基于哈爾濱7381人防隧道改造為地鐵隧道的雙側擴挖段工程實例，通過對地表變形的系統(tǒng)監(jiān)測，利用Matlab等軟件，結合礦業(yè)開采沉陷理論，得到了相應的變形規(guī)律，為隧道支護、施工組織、位移監(jiān)測和周圍建筑物的保護積累了經驗。

1 工程概況

哈爾濱地鐵一期土建工程七標位于該市南崗區(qū)，從鐵路局站至工程大學站，共3站4區(qū)間。其中大部分為7381人防隧道改造段，包括單側擴挖段和雙側擴挖段。

煙廠站至工程大學站區(qū)間雙側擴挖段最長，擴挖里程為SK12+688.979至SK12+890.542，共201.563 m。隧道主要穿過粉質黏土層、粉砂層、粉土層等。圍巖級別均為Ⅵ級，土石可挖等級均為Ⅱ級。結構頂板附近為粉質粘土層，側墻附近為粉砂層、粉質粘土層等。地下水位于結構底板附近，水位低于結構底板。為了充分利用既有7381結構，設計方案將既有7381結構線位橫向偏移400～600 mm，軌頂面下移300～400 mm。新隧道高7.4 m，寬9.5 m。

2 隧道擴挖方案

隧道擴挖施工嚴格遵循“強支護、快封閉、勤量測”的技術要求。施工工序:①破除既有支護仰拱部分砼并及時施作初襯;②完成仰拱初襯8 m后，模筑6 m二襯仰拱砼;③鑿除單側頂拱砼，施作初襯，及時架設臨時支撐及斜撐;④鑿除另一側頂拱砼，及時施作初襯，架設橫向臨時支撐，拆除斜撐;⑤破除一側邊墻砼并及時施作初襯;⑥破除另一側邊墻砼并及時施作初襯封閉成環(huán);⑦拆除支撐，澆筑仰拱回填砼，模筑二襯拱墻鋼筋砼 (采用9 m模版臺車立模)。部分工序如圖1。

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

原有隧道擴挖作業(yè)采用跳槽法，每槽段長1 m，間距15 m。結構破除及土方開挖過程中，超前預報和監(jiān)控測量同時進行，實時分析反饋，從而確保安全施工。

3 隧道擴挖的監(jiān)測方案

由于目前隧道擴挖經驗較少，隧道擴挖過程中的監(jiān)測至關重要。該工程重點監(jiān)測地表變形及其對建 (構)筑物的影響、圍巖與支護結構的穩(wěn)定性等，內容主要包括地表沉降、建筑物沉降、圍巖壓力、隧道拱頂下沉、隧道兩側水平收斂等，本文重點分析地表沉降。高程控制網屬精密水準網，其精度在二、三等水準測量之間，平差后精度滿足相應規(guī)范要求。監(jiān)測頻率:初期支護施作完成前每天1次，初襯完成后每2天1次。每一工序沉降累計從該工序開始時刻至下一工序開始時刻。

4 監(jiān)測數據分析

地質雷達探測發(fā)現，里程SK12+800至SK12+880間的隧道周圍土體無明顯異常。本文結合跳槽法的施工方法，取SK12+830至SK12+880間的50 m為分析對象，擴挖面位于SK12+855，相鄰槽段尚未擴挖。監(jiān)測點布置如圖2，為使地表變形更明顯，各監(jiān)測點間距加密為5 m。

圖2 監(jiān)測點布置Fig.2 Arrangement of the monitoring points

從斷面2和斷面5的沉降曲線圖 (見圖3、圖4)中可以看出，總沉降最大值發(fā)生在擴挖面上部地表。此外，斷面1、3、4、6沉降曲線 (見圖5—圖8)顯示，在總沉降中，破除仰拱產生的沉降最大，破除邊墻和拆除支撐產生的沉降居中，且兩者大小相當，破除頂拱加支撐后沉降最小。由于雙側擴挖，斷面2沉降曲線 (見圖3)的中部較斷面5(見圖4)的平坦，而擴挖面兩側的斷面1、3沉降曲線 (見圖5、圖6)平坦區(qū)域縮小，甚至消失。與盾構施工［6～7］不同，跳槽法施工的沉降曲線都以擴挖面為中心呈近似對稱分布。

圖3 斷面2沉降曲線Fig.3 Settlement curves of the Transverse Section 2

圖4 斷面5沉降曲線橫向Fig.4 Settlement curves of the Lengthwise Section 5

圖5 斷面1沉降曲線Fig.5 Settlement curves of the Transverse Section 1

圖6 斷面3沉降曲線Fig.6 Settlement curves of the Transverse Section 3

圖7 斷面4沉降曲線Fig.7 Settlement curves of the Lengthwise Section 4

圖8 斷面6沉降曲線Fig.8 Settlement curves of the Lengthwise Section 6

利用Matlab軟件對監(jiān)測數據進行處理得到斷面2和斷面5總沉降的三次樣條插值曲線(見圖9、圖10)和傾斜曲線 (見圖11、圖12)，從中可以看出，橫向影響范圍為擴挖面左側25～30 m，右側28～32 m，縱向影響范圍為擴挖面后方16～18 m，前方19～21 m。

圖9 斷面2沉降插值曲線Fig.9 Settlement interpolation curves of the Section 2

圖10 斷面5沉降插值曲線Fig.10 Settlement interpolation curves of the Section 5

結合礦業(yè)開采沉陷理論［8～12］，由斷面2和斷面5傾斜曲線得，斷面2傾斜極大值在左側-14 m處，右側在13 m處，斷面5傾斜極大值在后方-6 m處，前方6 m處。傾斜極大值處即總沉降拐點處，拐點處傾斜最大，對地下埋藏設施影響較大，拐點內側為壓縮變形，拐點外側為拉伸變形，易出現裂縫。斷面2和斷面5傾斜曲線在拐點兩側變化較快，拐點過后一段距離都有明顯的減速。斷面2傾斜中部變化較慢，是兩側擴挖使中部沉降較平坦所致。對于斷面2右側末端的加速，檢查發(fā)現屬于外界擾動，不予考慮。

5 監(jiān)測結果討論

隧道擴挖不同于新隧道的開挖，雙側擴挖也不同于單側擴挖，其對地表的影響有以下特點 (本工程竣工隧道高7.4 m，寬9.5 m):

圖11 斷面2傾斜曲線Fig.11 Settlement slope curves of the Section 2

圖12 斷面5傾斜曲線Fig.12 Settlement slope curves of the Section 5

①以擴挖面為中心，隧道雙側擴挖影響范圍橫向單側約為隧道寬度的3倍，縱向單側約為隧道高度的2.5倍。地表監(jiān)測范圍應大于等于此范圍，且在沉降變化快的區(qū)域 (1.5倍高度或寬度)應重點監(jiān)測。

②總沉降曲線的拐點橫向出現在約1.5倍寬度處，縱向出現在約1倍高度處。拐點處傾斜最大，其外側土層易產生拉應力，故拐點及其外側1倍寬度 (由傾斜曲線得)范圍內，若存在埋藏設施則應有相應防護措施且重點監(jiān)測，對跨越拐點的建筑物也要重點監(jiān)測。由此可見，拐點位置的確定有重要意義。

③擴挖過程中，破除仰拱對地表影響最大，其次為破除邊墻和拆除支撐，且二者影響程度相當，破除頂拱且加支撐影響最小。拆除支撐時地表沉降較大，故支撐的架設要及時，拆除要謹慎。破除仰拱和拆除支撐后有必要提高監(jiān)測頻率。

④雙側擴挖使橫向總沉降曲線中部較縱向平坦，平坦區(qū)域與隧道寬度相當，該區(qū)域內建筑不易被破壞。

⑤橫向斷面沉降 (斷面2)在中部存在低速區(qū) (范圍與隧道寬度相當)，而縱向斷面沉降 (斷面5)則無，橫向斷面和縱向斷面沉降變化在兩端均存在低速區(qū)。低速區(qū)監(jiān)測點間距可放寬。

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