摘  要 结合西安地铁 1 号线朝阳门———康复路暗挖区间饱和软黄土地段隧道施工及现场监测，对单线、双线隧道开挖纵向及横向地表沉降发展和分布规律进行分析，运用 Peck 公式建立饱和软黄土地层地铁隧道单线及双线开挖地面沉降预测模型。

关键词 地铁; 隧道; 饱和软黄土; 地表沉降; Peck公式

 

      地铁隧道施工过程不可避免地会扰动周围地层，产生地表沉降，严重时将影响到周边建筑物和地下管线的安全。尤其是饱和软黄土地层中的地铁隧道施工，由于地层本身含水量大，施工降水后会产生大量固结沉降，引起周边道路及建筑物开裂，只能采取洞内注浆或带水作业，施工难度加大，对地表沉降的控制难度也显著增加。因此，对饱和软黄土地层中隧道施工引起的地表沉降规律进行总结和预测，有着非常重要的理论和现实意义。

 

      西安地铁 1 号线朝阳门站—康复路站区间左、右线隧道分别长 774. 597 m 和 776. 200 m，均采用暗挖法施工。隧道拱顶最大埋深约 16. 4 m，最小埋深约 8. 7 m，自地表以下分布有厚薄不均的全新统杂填土( 0. 70 ～ 1. 90 m) 和素填土( 0. 70 ～5. 10 m) ，其下为上更新统风积新黄土( 0. 50 ～ 5. 50 m) 、饱和软黄土( 2. 50 ～10. 30 m) 、残积古土壤( 3. 20 ～5. 50 m) ，再下为中更新统风积老黄土( 3. 30 ～ 9. 90 m) 、冲积粉质黏土( 最大厚度 19. 4) 、粉土、细砂、中砂( 0. 70 ～ 3. 50 m) 及粗砂等。隧道主要从老黄土和古土壤层穿过，拱顶以上分布有厚度 达 8 m 左右的饱和软黄土，地下潜水稳定水位埋深 4. 30 ～7. 50 m，整个隧道处于潜水位以下。水文地质情况如图 1 所示，各土层的物理力学指标如表 1 所示。

      朝—康区间隧道有 3 种断面形式，右线隧道 660 ～680 段为 B 型断面，隧道高 7 705 mm，宽 7 100 mm;690 ～ 730 段为 A 型断面，隧道高 6 550 mm，宽6 380 mm。左线隧道660 ～680 段为 C 型断面，隧道高 8 605 mm，宽8 000 mm; 690 ～ 715 段为 B 型断面，730 段为 A 型断面。各断面隧道的具体支护参数如表2 所示。

      隧道周边建筑物林立，沿隧道纵向主要有一直径为Ф300 铸铁给水管和一直径Ф1 000 的砼排水管，并需下穿一座人行天桥，对地表沉降要求都很高。在施工初期，沿线布置降水井，地面产生快速沉降，一些基础比较薄弱的建筑出现开裂，后经研究停止降水，采用洞内 WSS 注浆止水，降水引起的沉降才得以控制。截至目前，该区间隧道初期支护已贯通，正在施工二次衬砌，地表沉降已经稳定，施工期间未对周边环境产生太大影响。

 

      施工期间对朝—康区间地面和洞内进行了多项监测，笔者选取ZDK22 +660、670、680、690、715、730 共6 排地表沉降点作为研究对象进行分析，测点布置如图2 所示。

 

      图 3 所示，单线开挖地表沉降总体分为 4 个阶段。①沉降微小阶段: L/D≤ － 1 时，隧道掌子面距测点断面距离较远，沉降发展比较缓慢; ②沉降急剧阶段:－ 1≤L / D≤3，此时掌子面距测点断面距离较近，沉降发展迅速，最大沉降速率可达 1. 65 mm/d，占总沉降量的 60% ～70%; ③沉降缓慢阶段: 3≤L/D≤5，掌子面离开测点断面一段距离，沉降变化速率减缓; ④沉降稳定阶段: L/D≥5，掌子面远离测点断面，沉降变化趋于稳定。

      ZDK22 + 680 断面左洞开挖滞后右洞 15 m，相当于2 倍洞径，双线开挖隧道拱顶正上方地表沉降历时曲线如图 4 所示，其总体发展趋势也可分为 4 个阶段: Ⅰ阶段为初期沉降阶段，主要由于开挖掌子面距监测点较远，掌子面开挖微小影响变形和降水固结变形，左右洞地表监测点沉降均很小; Ⅱ阶段为右线开挖沉降影响段，主要由于右线掌子面开挖引起地层应力释放和降水固结变形，右洞地表监测点表现为沉降剧增，左洞地表监测点沉降较之右洞缓慢; Ⅲ阶段为左线掌子面开挖影响变形和降水固结变形，左洞地表监测点沉降剧增，右洞地表监测点沉降较之左洞缓慢; Ⅳ阶段为长期变形阶段，主要由于主固结和次固结引起的沉降，左右洞地表监测点沉降均很小。

      从图 5 可以看出，单线隧道开挖隧道横断面的地表沉降沿隧道中线基本呈正态分布，沉降槽单侧反弯点宽度在 9 m 左右，沉降稳定时引起的最大地表沉降变形分别为 16. 5 mm。

      当左、右线隧道开挖引起的地表沉降变形稳定后，用双洞隧道引起的地表沉降值减去右线隧道稳定后的地表沉降值，可得左线隧道开挖引起的地表沉降值。从图 6 可以看出，左线隧道开挖引起的地表沉降值和沉降槽宽度基本与右线相同。双线隧道开挖引起的地表沉降值为 32. 6 mm，沉降槽单侧及反弯点宽度为 17. 5 m，略小于单线隧道沉降槽宽度的 2 倍。

 

      目前，沉降槽计算广泛采用 O’Reilly 和 New 在1982 提出的 Peck 公式。Peck 教授在对大量实测资料分析的基础上，提出了隧道施工地表横断面沉降槽数学模型，遵循正态分布曲线，如图 7 所示。

      相应的 Peck 公式为

式中，y 为距隧道中心线的距离，m; s 为距隧道中心线为 y 的地表沉降量，m; s_max为隧道中心线处最大沉降量，m; i 为变曲点距隧道中线的距离，m。

      从 Peck 公式可以得出

      由式( 2) 可见，在 坐标系中是一条直线，如果把该直线斜率设定为 m，则沉降槽宽度参数i 为

      以 ZDK22 +680 断面为例，单线隧道开挖后地表沉降监测结果在 坐标系中的函数曲线如图 8所示。

      由图 8 可知，线性拟合曲线斜率 m = 0. 005 5，则反算得出沉降槽宽度参数 i = 9. 53，实测地表最大沉降S_max= 16. 5 mm，单洞沉降槽公式拟合为

      以 ZDK22 +680 断面为例，左洞开挖滞后右洞15 m( 相当于 2 倍洞径) 。双线隧道( 线间距 15 m) 开挖后，地表沉降监测结果在 坐标系中的函数曲线分别如图 9、图 10 所示。

      双洞地表沉降预测模型为

式中，s_左、s_右分别为左、右洞开挖产生的地表沉降，mm;s_左max、s_右max分别为左、右洞开挖产生的最大沉降值，mm;i_左、i_右分别为左、右洞开挖沉降槽宽度，m; y₀为左、右线隧道中心距的一半，m。

      其中，右洞沉降槽公式拟合为

      左洞沉降槽公式拟合为

      总沉降槽公式为

      图 11 为 ZDK22 + 680 断面右洞、左洞及双线隧道开挖后沉降槽预测曲线与实测结果对比，可以看出预测结果与实测结果基本一致，达到了预测精度要求。

      1) 西安地铁 1 号线朝阳门—康复路饱和软黄土地层隧道开挖地表沉降监测结果表明，单线隧道开挖过程中沿隧道纵向地表沉降随掌子面推进的发展主要经历 4 个阶段: 沉降微小阶段、沉降急剧阶段、沉降缓慢阶段、沉降稳定阶段。在 － 1≤L/D≤3 沉降急剧阶段，最大沉降速率可达 1. 65 mm/d，占总沉降量 60% ～70% ，是沉降控制的重点。双线开挖后地表沉降为左、右洞开挖地表沉降的叠加。

      2) 朝阳门—康复路区间隧道开挖地表沉降监测的结果表明，单线隧道开挖隧道横断面地表沉降沿隧道中线基本呈正态分布，最大地表沉降变形为16. 5 mm，先开挖隧道引起的地表沉降槽单侧反弯点，宽度为9 m。后开挖隧道地表沉降值和沉降槽宽度与先开挖隧道基本相同。双线隧道开挖引起的地表沉降值为32. 6 mm，沉降槽单侧反弯点，宽度为17. 5 m，略小于单线隧道沉降槽宽度的两倍。

      3) 在对实测数据统计分析的基础上，采用 Peck 公式对单线隧道和双线隧道开挖后引起的地表沉降进行预测的方法可行，精度较高，对类似工程有一定的指导和借鉴作用。

 

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