地铁隧道施工中地表沉降数据监测与规律分析

李 想

（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

随着我国城市化进程的不断深入，国内一、二线城市掀起了城市地铁建设的浪潮[1].城市地铁建设线路复杂且建筑物众多，须采取严格防止沉降的措施.施工过程中不可避免的会对周围岩土体产生扰动，引起的地表沉降可能影响地面建筑物和既有管线设施，到一定程度时沉降过大会影响建筑物的正常使用[2]，地铁沿线人流众多，交通拥挤且建筑密集，过度沉降会给施工人员，过往行人及周边建筑物安全造成巨大威胁.

截止到2017年，我国不少城市均出现过因为修建地下轨道而导致的地表沉降的事件，例如：2011年上海市地铁12号线在建施工过程中发生突然坍塌，导致5人死亡，20人受伤；2014年北京东四环地铁7号线，在建施工过程中发生严重坍塌，产生了严重的经济损失并造成了极大的拥堵交通[3]；2015年深圳市地铁7号线，在建施工过程中发生坍塌，导致5人被困，1人死亡的严重后果.因过度沉降导致的类似坍塌事件不胜枚举.

本文以乌鲁木齐地铁一号线为背景，对施工过程中的地表沉降数据进行监测，并对实测数据进行处理分析，得到横向沉降分布曲线及纵向沉降分布曲线，结合数值模拟结果分析沉降规律，为地铁隧道施工控制提供指导.

1 地面沉降监测方案

1.1 基准点布置及埋设

设置地表沉降监测基准点，监测方式采用道路和地表监测点同时整合到一个闭合环的空间及形成由附和线路构成的结点网的方式.

埋设的方式主要分为人工开挖及钻具成孔两种方式，具体埋设方式不做强制性要求.埋设的主要步骤为：首先，对于软土地质应用人工操作洛阳铲的方式进行开挖埋设，对于石质或土质较为坚硬的地面采用操作钻机等机械进行埋设，两种方式洞口孔径大小均采用70mm，深度为地表下1米；第二步，将该洞的底部进行夯实；第三步，对洞内渣土清除处理并导入清水养护，浇筑混凝土，混凝土与地表保持4cm距离；第四步，洞中心插入钢筋并使钢筋超出混凝土20cm；第五步，设置保护盖养护15天，埋设保持平整稳固.

1.2 地面沉降监测点的布设

第一，横向的检测点的设计：受制于地面环境的影响，各断面设计7个点每监测点相隔5米.

第二，纵向的检测点的设计：监测点的布置左起CK7+031.6至CK7+216.7，每间隔8m距离设置一个监测点，线路穿越上海至宁夏的高速公路，从左CK5+641.4起至CK7+031.6设置间距25m.

第三，横向监测点的编号设计：同一个横向面自左向右编号0.1.2.3.4.5.6，例如DA28断面7个检测点的编号就是DA28-0，DA28-1，DA28-2 等.

图1 地面沉降监测点布置示意图

自2014年开始施工即进行检测，共选取三个监测区间进行监测，对三个区间内的每个横断面中的七个点每天监测一次.根据隧道所深挖的土体的地质结构，土层的特点，将盾构施工段所形成的断面分为三个监测区域，测量数据庞大复杂，本文选取有代表性的十六个断面进行分析.其中在第一监测区间CK6+245到CK5+641中选取6个断面，由于土层性质单一，比较松软，该区域有穿越河道，土堆的现象，隧道向下深挖16米；第二监测区间CK7+050到CK6+245中选取3个面，区域土壤质量较单一，农田密布，向下深挖，隧道下挖20米；第三监测区间CK7+252到CK7+050中选取7个面，该区域穿越西气东输的线路，沪宁高速公路等导致各个区域的土体的强度不同，典型特征是地表硬度较高，地表以下土层较软，隧道下挖15m.

2 沉降实测数据与FLAC 3D模型对比分析

2.1 各监测断面实测沉降数据

根据现场实际测试出的地面沉降检测数据，统计为如下的表格中，从而直观的看到检测面的地面沉降的数值.如表1.

表1 乌鲁木齐一号线盾构区间横向监测点沉降量统计表

通过实测沉降数据可知，地面沉降的影响大致使沿着线路的中心对称分布，且各监测区间最大沉降量均发生在3号监测点，由此说明该区域是沉降面积最多，隧道轴线中心是最容易发生沉降的地方.

以下以各监测区间的各断面最大沉降量与隧道纵向中线埋深作为对照：

（1）监测一区间：

以选取的六个断面为研究对象，可以从上表中明显发现该区段沉降量较大，沉降量最大值为监测点DB 190-3的48.22mm，平均值为25.53mm，最小值为监测点DB70-3的14mm.其中3号监测点位置沉降最大.各监测点沉降值与监测点纵向埋深情况如下表2.

表2 监测一区间监测点沉降与纵向埋深情况表

（2）监测二区间：

以实测二区间的三个横断面为对象，区间内最大沉降值是监测点DB590-3的13.53mm，最小值为监测点DB374-3的9.90mm平均值相对于一区间较小为12.22mm.最大沉降值出现在各监测断面的中间位置.各监测点沉降值与监测点纵向埋深情况如下表3.

表3 监测二区间监测点沉降与纵向埋深情况表

（3）监测三区间：

表4 监测二区间监测点沉降与纵向埋深情况表

以实测三区间的七个横断面为对象，区段内沉降最大值是监测点DB 1290-3的32.12mm，实测沉降最小值是监测点DB 1243-3的8.72mm，相对于一区间沉降较小但与二区间较为接近平均值为14.81mm.最大沉降值出现在各监测断面的中间位置.各监测点沉降值与监测点纵向埋深情况如表4.

由以上第一，二，三监测区间断面最大沉降量与隧道纵向埋深对照表可知，各监测区间最大沉降量发生在各断面的中间位置.

2.2 横向沉降曲线及沉降随时间变化曲线

自上述三个监测区间内随机选取DB190，DB590和DB1195三个横断面，拟合出各横断面内横向沉降曲线，曲线如图 2、3、4 所示.

图2 横断面DB190横向沉降曲线

图3 横断面DB590横向沉降曲线

图4 横断面DB 1290横向沉降曲线

由上述横断面内横向沉降曲线情况可知，曲线类似于正态分布.

随机选取DB 190-3和DB 1290-3两个监测点分析其沉降量随时间变化的曲线，分别如图5、6所示.

图5 监测点DB 190-3纵向沉降分布曲线

图6 监测点DB 1290-3纵向沉降分布曲线

由以上随机选取的两监测点图2-8、2-9的纵向沉降分布曲线可知，各监测点沉降量随时间变化的曲线接近于反“S”形状且沉降量的变化在时间趋势上可以分为5个时间阶段.

3 FLAC 3D数学模型模拟对比分析

以FLAC 3D为工具模拟地面沉降情况，设置计算模型以Y=25处为监测断面，以隧道轴线左右每间隔lm布设一个监测点，得出地表的横向沉降曲线，如图7所示.

从图7地表横向沉降曲线可知：计算模型显示在该横断面上中心线的沉降量最大，并向两边逐渐减小，拟合成一条似漏斗的沉降槽曲线[4]；横向沉降曲线接近于正态分布.

图7 Y=25横向沉降曲线值模拟沉降曲线

数值模拟以中心线Y=25处为观察点，绘制施工过程随时间变化过程中该点的纵向地面沉降变化曲线[5]，即研究该点随施工里程数增长的沉降规律.如图8所示.

图8 隧道中心线Y=25监测点沉降随掘进进尺变化规律

从上图我们可以分析发现：

第一，沉降量是随着掘进进尺的变化而变化，并且形成了一条反S型的曲线.

第二，沉降量的变化在时间趋势上可以分为5个时间节点：1.掘进开始到10米左右的前期沉降阶段；2.掘进10m-25m的开挖前沉降阶段；3.掘进到25-35m的盾尾沉降阶段；4，掘进到35-42m的盾尾空隙沉降阶段；5.末期的固结沉降阶段，且此时沉降量已经稳定.

4 结论

本文通过对乌鲁木齐地铁一号线施工中的沉降实地观测，对数据进行拟合，并与FLAC 3D数学模型模拟结果进行对比分析，得出如下结论：

(1)由实测数据各监断面的横向沉降分布曲线及FLAC 3D横向沉降曲线值模拟沉降曲线可知，横断面上地表最大沉降值出现在隧道中轴线正上方，并以中心轴向隧道两边逐渐减小，形成漏斗形沉降槽曲线，同一横断面内沉降曲线近似于正态分布曲线.

(2)由监测点沉降随掘进进尺变化规律图及FLAC 3D数学模型监测点沉降随掘进进尺变化规律可知，沉降量是随着时间的变化而变化，形成一条反S型的曲线.

参考文献：

〔1〕李杰.基于FLAC3D地铁盾构施工引起地表沉降的分析研究[D].河北工程大学，2013.

〔2〕刘东.成都地铁隧道施工引起的地表沉降研究[J].西南交通大学学报，2009.

〔3〕焦玉进.青岛地铁大跨度暗挖隧道地表沉降变形研究[D].青岛理工大学,2015.

〔4〕夏志强,周传波,平雯,等.地铁隧道盾构法施工地表沉降特征及预测研究[J].城市轨道交通研究,2014,17(10)：98-102.

〔5〕唐人.盾尾注浆的无水卵石地层地表沉降特征研究[J].山东交通科技,2016(6)：23-27.