探究地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测

探究地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测

刘保成

中铁隧道集团第五建筑有限公司天津300300

摘要：通过现场调研及分析某市地铁工程所产生的沉降状况，运用回归分析及数值模拟等方法，得到拱顶下沉与地表沉降的关系的几点结论。揭示地铁隧道施工中，应力释放变形及水体流失变形对拱顶和地表下沉关系的显著影响。

关键词：地铁隧道施工；拱顶下沉值；预测

1现场调研与实测

图1是某市地铁一期工程所产生的沉降状况。在图中，起点里程值是SK4+475。由图可知，地表沉降要比拱顶沉降高。而从当地的地质状况及相关的地层数据来分析，地层强度相对较低，而且地下水位也相对较高，部分位置的隧道上层还有一层砂层。对于水的处理采用了堵和引的方法，其中上地层具有显著变形，拱顶沉降要比地表沉降大小低60%。如果地层条件佳，同时隔水层较厚实，那么拱顶下沉将会显著。可以参看下页图2。据监测数据，测量拱顶下沉数值的位置约在滞后掌子面的10m处，这比隧道的直径要大。如果是地表观测则能够全面获得数据。所以要对测量部分的拱顶下沉（YG2）进行优先分析。

通过具体的现场调研及分析，将该市地铁分成6标段，然后进行地层的变形监测。其中隧道断面初期支护被敷设测沉点，数量为9个，每个点相距1m。然后使用混凝土进行固定，并进行零距离观测，从而获得正确的拱顶下沉数据。图1中显示了这个实际测量的数值。其中拱顶沉降水平已经达到地表沉降的72%。结合图2进行研究，可以获知针对拱顶下沉的测量相对于掌子面具有一定的滞后距离，此处的数值要比实际拱顶下沉值要小。

图1中，起始点实际上是砂层和普通层的临界处，在左侧是砂层，因此具有较显著的沉降。拱顶和地表的沉降比达到68%。而在右侧，地形几乎没有变形，所以此时两者之比达到76%。

从其他的测点来看，拱顶下沉的曲线是一种指数模式，这说明针对软土的拱顶下沉的回归分析应该使用指数函数。

2回归分析

依据前文提到的测量模式以及相应的位移预测模式，再结合滞后观测拱顶下沉和掌子面的施工前进距离的关系曲线图就能够据此进行回归分析，也就是进行指数函数回归。下面是对应的回归分析公式：

通常针对拱顶沉降的测量都是相距掌子面一定距离之后开始，这个距离就是上式中的X0，此时对应一个还没有测量的下沉量，用Y0表示。那么下图4就展示了基于滞后掌子面的测量数据对该拱顶总下沉值进行预测的情况。从图中可以看出，在1~1.5D区间中，沉降发展较为集中。此时可以利用指数函数进行回归分析，接着明确在1D区间中Yf下沉大小和最终的下沉大小，也就是Y1D之间的对应关系。然后使用零距离测量值，这可以通过预埋的深部基点进行测量。这样就能够相互验证，进而获得最佳的回归方法。

下图5中的关系曲线展示了通过对数量达到20个滞后点进行测量，然后使用公式1的指数函数进行回归的情况。通过这个图可以发现，在1D区间中，拱顶下沉相对于最终下沉量而言约为65%。

下图6展示了在1D区间中，零距量点的拱顶下沉量，Y1D和最终的下沉值的对应关系。由此就能够获得Y1D和Yf之间的回归公式：

分析这个图6可知，得到Y1D和Yf之间的关系和之前的Yf是Y1D的1.5倍具有明显的区别，不过这两者之间的线性关系却被保持。这个地层属于软土层，这也说明隧道的上覆层对于地表以及拱顶的沉降都会产生重要的影响。

通过上面的公式2和上图4的对应位移关系，也就是Y1D=Y0+Ym1D和公式Y1D=Y0+Ymf，就能够获得下面的公式3：

而在上式中，Ym1D以及Ymf这两个参数值都能够通过现场被测量，那么此时就能够对那些没有量测的位移数值，进而获得最终拱顶下沉数值，也就是yf值。针对城市地铁的浅埋隧道工程而言，有一个极为关键的环节就是要优先封闭。尽可能降低拱顶部的土体暴露时间，从而对地层的变形情况加以控制。因此在施工量测时，就需要进行快速的测量。可是在施工过程中，往往会存在干扰问题，所以在现场测量时，很多都会落后2、3个步距，之前的步距就难以使用公式3进行回归分析进而准确预测。

3隧道拱顶下沉的数值模拟

而随着施工的推进，拱顶沉降开始迅速增加，逐渐会超出地表。通过分析，拱顶下沉的超前环节与地表沉降表现一致。只是此沉降是在隧道施工前以及自稳时间之内产生，此时就是零距检测也不可行，该值约是总位移的四成。上图的指数函数回归同样对前文的回归分析进行了可行性验证，最终得到拱顶的下沉值是和公式2一致的。进而对地形变形等进行正确评价。从而为后续的施工接支护参数设置提供相应的数据参考。

4拱顶下沉与地表沉降的关系分析

通过实测和回归分析可得：地铁隧道施工在软土环境下地层变形较为显著。拱顶和地表的下沉关系会受到地层条件的显著影响。这个地层变形主要体现两个层面，一个是应力释放变形，另一个是水体流失变形。根据测量可获取以下结论：

1）普通地层因为隔水层厚度较高，透水效果不好，掌子面开挖地质较佳，而且拱脚和拱部区没有渗水，此时地层只受开挖影响，拱顶下沉水平要比地表更大。

2）如果砂层和地层的临界处存有薄隔水层，渗水效果佳，而且对应的拱部区及拱脚区都有一定的渗水；如果此时地层变形的影响因素为地下水和开挖，此时这两者关系具有基本一致性。

参考文献

[1]张顶立,黄俊.地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测[J].岩石力学与工程学报,2005(10):1703-1707.