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摘 要：矿山法地铁区间施工是比较常用的地铁施工工法之一，其在岩土体内部进行，无论埋深大小，都会扰动周边岩土体，沉降不可避免。对地表沉降量进行监测、预测和规律分析，可以有效的预防与控制沉降事故的发生。
关键词：矿山法；地表沉降；规律分析
引言
近年来，我国城市轨道交通建设迅猛发展，地铁是城市轨道交通最主要的制式，对人口、经济都满足建设条件的大城市来说，地铁制式是不二之选。在中心城区内部，地铁线路通常敷设于地下隧道内，且大多数要下穿城区主要交通道路、管线和建筑物密集区域，是城市地下的交通大动脉。正因为如此，在地铁施工过程中，多种地质灾害频发，且抢救困难、易造成较为严重的后果。沉降事故是最常发生的事故之一，北京、深圳、杭州和西安等地均发生过不同程度的坍塌事故[1-2]。在地铁隧道施工过程中进行实时监测，对于预防和控制沉降事故有着至关重要的作用。
本文通过对徐州某段矿山法区间近150个监测断面、1500个地表沉降监测点为期5个月的数据进行整合及回归分析，得出矿山法城市区间隧道开挖的横向最大沉降量预测公式、横向与纵向沉降规律。对于施工和周围人员提供准确可靠的预测信息，也为合理安排施工进度与流程提供指导。
1、概况
中心医院站～淮塔东路站区间全长约930m，在右线K11+013.262处设置一处施工竖井，线路出中心医院站后拐向东南方向，依次下穿希尔顿酒店门厅、天宫国际会所、徐州心源美容医院、国华电力公司办公楼后进入奎山公园，以350m半径曲线穿越奎山公园达到解放南路，之后以350m半径曲线下穿解放路及淮海战役纪念塔公园停车场，最后达到于解放南路与淮塔东路丁字路口处的淮塔东路站。
区间采用矿山法进行开挖，支护方式为超前小导管+钢格栅。隧道主要位于?4-3中风化灰岩层中，覆土层主要为⑤3-4粘土层、?1-3中风化灰岩层、?1-3A溶洞；下伏基岩为寒武系灰岩及奥陶系灰岩。
2、横向地表沉降最大值预测
2.1 横向沉降规律分析
选取右线小里程方向4个断面作为典型断面，对其监测数据进行整合和回归分析，绘制其相应回归曲线，结果如图所示：
从图中及表中分析可得，横向地表沉降值随着隧道的埋深而减小。主要是由于隧道埋深越大，施工对周围土体的扰动传递到地表时影响越小，表现为地表沉降量越小。
2.2 预测公式推导
1993年上海隧道股份的周文波根据120余座隧道的实测数据，用统计方法得出横向最大沉降量的估算公式[3-4]：
式中：h为地面至开挖中心的距离；D为隧道半径。
横向最大沉降值与覆跨比h/D的关系曲线数据可以采用以下公式进行回归：
根据中淮区间监测数据及公式（3），采用orige分析进行回归分析，得到隧道横向最大沉降值与覆跨比h/D关系的回归方程为：
根据周文波的研究成果，及中淮区间监测数据的回归分析得到矿山法城市区间横向地表沉降最大值的预测公式。通过公式可以看出，横向地表沉降最大值是关于覆跨比的函数，覆跨比越大，最大沉降值越小。
2.3 误差分析
本文通过回归分析得出横向地表沉降最大值的预测公式，对本研究区间地表沉降监测数据与回归公式的计算值进行比较，结果如表所示：
从表2.2可以看出，各横向监测断面的最大沉降量实测值误差均小于15%，因此，本文通过回归分析得到的公式能够较准确地预测横向地表沉降最大值[5]。
3、纵向地表沉降规律分析
3.1 单洞开挖纵向沉降规律分析
矿山法地铁区间隧道多为双洞同时掘进，少数为单洞掘进。对中淮区间小里程方向单洞工作面监测数据进行整理分析，选取DBC20、DBC21、DBC22、DBC23四个监测断面，作为典型断面进行单洞开挖地表纵向时程变化回归分析，如图2.2所示。
从图中可以看出随着工作面接近监测断面，地表沉降逐渐增大，曲线较缓；当工作面到达监测断面时地表沉降速率急剧增大；随着超前小导管施工，及向其注浆，地表沉降急剧上升；支护完成后地表沉降速率急剧增大；随着工作面逐渐远离监测断面地表沉降逐渐趋于稳定。
3.2 双洞开挖纵向沉降规律分析
中淮区间左线大里程方向累计开挖524m，右线大里程累计开挖535m，选取大里程方向开挖200m处和300m处的监测断面DBC89、DBC108作为典型断面。为了能够全面准确的对双洞开挖纵向沉降规律进行分析，本文分别绘制了两断面上所有测点时程曲线图和回归数据时程曲线图，结果如图2.3、2.4、2.5、2.6所示。
从图中可以看出，随着掌子面逐渐接近监测断面，地表沉降逐渐增大，曲线较缓；当左线工作面达到监测断面（右线滞后20m），随着左线支护封闭成环并向初支结构注浆，地表呈缓慢上升后急剧下降；当右线工作面到达监测断面（此时左线超前20m），沉降速率急剧增大；随着右线隧道支护封闭成环，逐渐远离监测断面，曲线趋于平缓。
通过对于单洞与双洞开挖地表纵向沉降时程曲线及回归曲线的分析发现，矿山法隧道开挖引起的地表沉降大致可以分为四个阶段：
（1）微小变形期：当掌子面开挖到测点前1倍埋深到0.5倍埋深时，开始对地层产生扰动，造成地表出现轻微沉降，该沉降量约占总沉降量的15%～20%。这种变形主要是由于掌子面的开挖导致前方地层应力场发生变化以及地下水的流失而引起的。
（2）剧烈变形期：当掌子面到达测点前0.5倍埋深到测点后0.5倍埋深时，地表出现先急剧上升，后急剧下降的现象，地层变化紊乱且剧烈，该阶段约占总沉降量的10%。这种变形主要是由于隧道开挖导致边界条件的改变，及向超前小导管进行注浆施工产生覆土的扰动引起应力的重新分布而引起的。
（3）缓慢变形期：当掌子面开挖到测点后0.5倍埋深到2倍埋深时，测点所在断面完全支护，地表沉降呈缓慢变形，该阶段沉降量约占总沉降量的55%～65%。这种变形主要是由于隧道初期支护完成，覆土层土体的进一步压密所造成的。
（4）稳定变形期：当掌子面开挖到測点后2倍埋深后，沉降曲线趋于稳定，沉降量约占总沉降量的5%～10%。
4、结论
通过对徐州地铁矿山法施工区间隧道地表沉降实测数据整合、回归分析及规律分析得到以下结论。
（1）通过对中淮区间单洞隧道开挖实测数据的回归分析，得出矿山法区间埋深越大最大沉降值越小的横向变化规律。
（2）通过分析软件，对已有资料和工程测量数据进行回归分析得到区间横向地表沉降最大值的预测公式，并验证了公式的准确性。通过公式可以看出，横向地表沉降最大值是关于覆跨比的函数，覆跨比越大，最大沉降值越小。
（3）通过对矿山法隧道实测地表沉降数据进行整合与回归分析，得出隧道横向沉降最大值预测公式、横向和纵向地表沉降变化规律，对于矿山法城市隧道的开挖与沉降控制具有重要的实用价值。
参考文献
[1]阳军生，刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北京：中国铁道出版社，2002
[2]李围.隧道及地下工程FLAC解析方法[M].北京：中国水里水电出版社，2009：54-59
[3]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：102-110
[4]汪振伟，付钢.城市连拱隧道施工地表沉降分析及预测研究[J].岩土力学，2009，30 （12）：418-421
[5]王彦.浅埋隧道矿山法施工对地层及建筑物影响研究[M].南京：南京林业大学， 2012：15-18
作者简介
李晓京（1985-），男，河南平顶山，中级工程师，本科，从事工程测量工作。
（作者单位：中铁工程设计咨询集团有限公司）
关键词：矿山法；地表沉降；规律分析
引言
近年来，我国城市轨道交通建设迅猛发展，地铁是城市轨道交通最主要的制式，对人口、经济都满足建设条件的大城市来说，地铁制式是不二之选。在中心城区内部，地铁线路通常敷设于地下隧道内，且大多数要下穿城区主要交通道路、管线和建筑物密集区域，是城市地下的交通大动脉。正因为如此，在地铁施工过程中，多种地质灾害频发，且抢救困难、易造成较为严重的后果。沉降事故是最常发生的事故之一，北京、深圳、杭州和西安等地均发生过不同程度的坍塌事故[1-2]。在地铁隧道施工过程中进行实时监测，对于预防和控制沉降事故有着至关重要的作用。
本文通过对徐州某段矿山法区间近150个监测断面、1500个地表沉降监测点为期5个月的数据进行整合及回归分析，得出矿山法城市区间隧道开挖的横向最大沉降量预测公式、横向与纵向沉降规律。对于施工和周围人员提供准确可靠的预测信息，也为合理安排施工进度与流程提供指导。
1、概况
中心医院站～淮塔东路站区间全长约930m，在右线K11+013.262处设置一处施工竖井，线路出中心医院站后拐向东南方向，依次下穿希尔顿酒店门厅、天宫国际会所、徐州心源美容医院、国华电力公司办公楼后进入奎山公园，以350m半径曲线穿越奎山公园达到解放南路，之后以350m半径曲线下穿解放路及淮海战役纪念塔公园停车场，最后达到于解放南路与淮塔东路丁字路口处的淮塔东路站。
区间采用矿山法进行开挖，支护方式为超前小导管+钢格栅。隧道主要位于?4-3中风化灰岩层中，覆土层主要为⑤3-4粘土层、?1-3中风化灰岩层、?1-3A溶洞；下伏基岩为寒武系灰岩及奥陶系灰岩。
2、横向地表沉降最大值预测
2.1 横向沉降规律分析
选取右线小里程方向4个断面作为典型断面，对其监测数据进行整合和回归分析，绘制其相应回归曲线，结果如图所示：
从图中及表中分析可得，横向地表沉降值随着隧道的埋深而减小。主要是由于隧道埋深越大，施工对周围土体的扰动传递到地表时影响越小，表现为地表沉降量越小。
2.2 预测公式推导
1993年上海隧道股份的周文波根据120余座隧道的实测数据，用统计方法得出横向最大沉降量的估算公式[3-4]：
式中：h为地面至开挖中心的距离；D为隧道半径。
横向最大沉降值与覆跨比h/D的关系曲线数据可以采用以下公式进行回归：
根据中淮区间监测数据及公式（3），采用orige分析进行回归分析，得到隧道横向最大沉降值与覆跨比h/D关系的回归方程为：
根据周文波的研究成果，及中淮区间监测数据的回归分析得到矿山法城市区间横向地表沉降最大值的预测公式。通过公式可以看出，横向地表沉降最大值是关于覆跨比的函数，覆跨比越大，最大沉降值越小。
2.3 误差分析
本文通过回归分析得出横向地表沉降最大值的预测公式，对本研究区间地表沉降监测数据与回归公式的计算值进行比较，结果如表所示：
从表2.2可以看出，各横向监测断面的最大沉降量实测值误差均小于15%，因此，本文通过回归分析得到的公式能够较准确地预测横向地表沉降最大值[5]。
3、纵向地表沉降规律分析
3.1 单洞开挖纵向沉降规律分析
矿山法地铁区间隧道多为双洞同时掘进，少数为单洞掘进。对中淮区间小里程方向单洞工作面监测数据进行整理分析，选取DBC20、DBC21、DBC22、DBC23四个监测断面，作为典型断面进行单洞开挖地表纵向时程变化回归分析，如图2.2所示。
从图中可以看出随着工作面接近监测断面，地表沉降逐渐增大，曲线较缓；当工作面到达监测断面时地表沉降速率急剧增大；随着超前小导管施工，及向其注浆，地表沉降急剧上升；支护完成后地表沉降速率急剧增大；随着工作面逐渐远离监测断面地表沉降逐渐趋于稳定。
3.2 双洞开挖纵向沉降规律分析
中淮区间左线大里程方向累计开挖524m，右线大里程累计开挖535m，选取大里程方向开挖200m处和300m处的监测断面DBC89、DBC108作为典型断面。为了能够全面准确的对双洞开挖纵向沉降规律进行分析，本文分别绘制了两断面上所有测点时程曲线图和回归数据时程曲线图，结果如图2.3、2.4、2.5、2.6所示。
从图中可以看出，随着掌子面逐渐接近监测断面，地表沉降逐渐增大，曲线较缓；当左线工作面达到监测断面（右线滞后20m），随着左线支护封闭成环并向初支结构注浆，地表呈缓慢上升后急剧下降；当右线工作面到达监测断面（此时左线超前20m），沉降速率急剧增大；随着右线隧道支护封闭成环，逐渐远离监测断面，曲线趋于平缓。
通过对于单洞与双洞开挖地表纵向沉降时程曲线及回归曲线的分析发现，矿山法隧道开挖引起的地表沉降大致可以分为四个阶段：
（1）微小变形期：当掌子面开挖到测点前1倍埋深到0.5倍埋深时，开始对地层产生扰动，造成地表出现轻微沉降，该沉降量约占总沉降量的15%～20%。这种变形主要是由于掌子面的开挖导致前方地层应力场发生变化以及地下水的流失而引起的。
（2）剧烈变形期：当掌子面到达测点前0.5倍埋深到测点后0.5倍埋深时，地表出现先急剧上升，后急剧下降的现象，地层变化紊乱且剧烈，该阶段约占总沉降量的10%。这种变形主要是由于隧道开挖导致边界条件的改变，及向超前小导管进行注浆施工产生覆土的扰动引起应力的重新分布而引起的。
（3）缓慢变形期：当掌子面开挖到测点后0.5倍埋深到2倍埋深时，测点所在断面完全支护，地表沉降呈缓慢变形，该阶段沉降量约占总沉降量的55%～65%。这种变形主要是由于隧道初期支护完成，覆土层土体的进一步压密所造成的。
（4）稳定变形期：当掌子面开挖到測点后2倍埋深后，沉降曲线趋于稳定，沉降量约占总沉降量的5%～10%。
4、结论
通过对徐州地铁矿山法施工区间隧道地表沉降实测数据整合、回归分析及规律分析得到以下结论。
（1）通过对中淮区间单洞隧道开挖实测数据的回归分析，得出矿山法区间埋深越大最大沉降值越小的横向变化规律。
（2）通过分析软件，对已有资料和工程测量数据进行回归分析得到区间横向地表沉降最大值的预测公式，并验证了公式的准确性。通过公式可以看出，横向地表沉降最大值是关于覆跨比的函数，覆跨比越大，最大沉降值越小。
（3）通过对矿山法隧道实测地表沉降数据进行整合与回归分析，得出隧道横向沉降最大值预测公式、横向和纵向地表沉降变化规律，对于矿山法城市隧道的开挖与沉降控制具有重要的实用价值。
参考文献
[1]阳军生，刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北京：中国铁道出版社，2002
[2]李围.隧道及地下工程FLAC解析方法[M].北京：中国水里水电出版社，2009：54-59
[3]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：102-110
[4]汪振伟，付钢.城市连拱隧道施工地表沉降分析及预测研究[J].岩土力学，2009，30 （12）：418-421
[5]王彦.浅埋隧道矿山法施工对地层及建筑物影响研究[M].南京：南京林业大学， 2012：15-18
作者简介
李晓京（1985-），男，河南平顶山，中级工程师，本科，从事工程测量工作。
（作者单位：中铁工程设计咨询集团有限公司）