淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制

趙富家

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

在城市化進(jìn)程越來(lái)越快的今天，我國(guó)人口眾多，道路交通越來(lái)越擁擠，為了解決這一問(wèn)題，我國(guó)的各大城市都在積極地開發(fā)地下鐵路工程。另外，城市中各類管線的鋪設(shè)也需要建設(shè)特有的工程，所以城市建設(shè)中常常會(huì)遇見(jiàn)隧道施工，若是施工技術(shù)手段不當(dāng)很容易引發(fā)地表塌陷，不僅危及到隧道的正常開發(fā)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?duì)施工人員的人身財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的地鐵建設(shè)中類似事故比較常見(jiàn)，我們應(yīng)該對(duì)施工中淺埋暗挖技術(shù)引發(fā)的塌陷現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出具體原因并提出針對(duì)性的解決策

略[1]。

1 某地鐵工程的地表塌陷狀況

山西省太原市小店220 V變電站地處太原市的東南區(qū)域，這個(gè)地區(qū)很多年前曾經(jīng)是濕地，富含較多地下水，剛剛開始挖掘不到1 m就見(jiàn)水了，但是由于小店變電站和康寧變電站之間的線路工程要求有電纜通道，必須挖掘出507 m長(zhǎng)的隧道。該隧道需要穿越的公路上方有電線的干擾，挖掘要求深度為7.5 m，施工用的大型機(jī)械并不能使用，也無(wú)法正常打樁，所以采用了淺埋暗挖施工方案。

在施工過(guò)程中，支護(hù)工作采用的是小導(dǎo)管注漿法和鋼架錨桿聯(lián)合支護(hù)法，容易出現(xiàn)問(wèn)題的地段則采用注漿旋噴加固進(jìn)行特殊加固。該隧道圍巖結(jié)構(gòu)較弱，含水量非常大，從而僅在施工挖掘的過(guò)程中就出現(xiàn)了兩起地表塌陷事故[2]。

第一次塌陷發(fā)生在隧道剛開始挖掘的位置，挖掘前已經(jīng)采取了地表止水旋噴加固措施，并在開挖后采用小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加固。實(shí)際施工的狀態(tài)下剛開始僅有拱頂發(fā)生少量滲水，但是累計(jì)挖掘一小段距離時(shí)，地層發(fā)生了大變形，并伴有涌泥涌砂現(xiàn)象，導(dǎo)致地表塌陷范圍達(dá)到挖掘長(zhǎng)度的70%。事故發(fā)生后工作人員及時(shí)重新對(duì)塌陷地面進(jìn)行水泥—水玻璃雙注漿法加固，并輔以中空注漿管棚加固。

加固完畢后繼續(xù)正常施工，但是滲水量依舊非常大，嚴(yán)重影響到了隧道繼續(xù)開挖，經(jīng)過(guò)專業(yè)人員分析得知，中空注漿管棚沒(méi)有起到應(yīng)有的作用，所以改用雙層小導(dǎo)管注漿法和洞內(nèi)深孔注漿法重新止水加固，繼續(xù)開挖。但是一段距離后，核心土處卻一直有水流出，同時(shí)伴有大量的涌砂現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生了地表塌陷。地表塌陷后，隧道多處又同時(shí)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，并且還在逐漸加量，因此必須馬上進(jìn)行全面加固處理[3]。

2 導(dǎo)致地表塌陷的原因分析

2.1 地表塌陷機(jī)制

采用淺埋暗挖技術(shù)進(jìn)行隧道挖掘施工而引發(fā)的地表沉降事故是很復(fù)雜的過(guò)程，引發(fā)原因是各種各樣的，發(fā)生過(guò)程也是各不相同的，但是總的來(lái)說(shuō)都是由挖掘過(guò)程產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力傳遞引發(fā)地層變形。開始挖掘工程時(shí)，若是沒(méi)有采用支護(hù)措施，那么隧道的圍巖很容易因?yàn)槭Х€(wěn)而被破壞，盡管上覆地層的厚度夠用，土體不會(huì)進(jìn)一步發(fā)生破壞，但是在隧道挖掘的過(guò)程中力學(xué)條件是會(huì)不斷變化的，當(dāng)壓力拱被破壞時(shí)，就會(huì)引發(fā)地表塌陷事故。

以上述的塌陷事故為例，我們可以看出，整個(gè)工程的力學(xué)條件是隨著隧道的高度、壓力拱高度和跨度變化的，壓力拱一直處于形成新?tīng)顟B(tài)、被破壞、再形成新壓力拱的循環(huán)過(guò)程中。當(dāng)沒(méi)有支護(hù)條件時(shí)，隧道很難形成自然平衡的壓力拱，這時(shí)我們可以定義一個(gè)臨界壓力拱，當(dāng)壓力拱成為臨界壓力拱時(shí)繼續(xù)挖掘工程，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致地層土體無(wú)法形成下一級(jí)壓力拱，從而造成水破壞而形成地表塌陷。為了解決這種問(wèn)題，施工中采用了適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施，在一定程度上限制上覆地層的變形，促進(jìn)壓力拱的形成，有效避免地表塌陷事故的發(fā)生。由此可見(jiàn)，在隧道施工前對(duì)地層進(jìn)行加固，及時(shí)進(jìn)行預(yù)支護(hù)工作，是預(yù)防地表塌陷的關(guān)鍵所在。

2.2 地表塌陷原因

地表塌陷原因是比較復(fù)雜的，根據(jù)實(shí)地考察并對(duì)塌陷現(xiàn)場(chǎng)的狀況進(jìn)行分析，可以找出不同方面的原因。

2.2.1 地層條件的原因

實(shí)地考察后，我們可以對(duì)當(dāng)?shù)氐耐馏w進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)分析，采用高精密儀器分析其微觀結(jié)構(gòu)，參考勘測(cè)人員的報(bào)告進(jìn)行分析，得出該地的地層特征為：淤泥質(zhì)粉土分布廣泛，地下水含量豐富，工程性質(zhì)較差，滲透性非常好，若是地下水處理不當(dāng)很容易引發(fā)流砂管涌問(wèn)題；隧道的洞身處于風(fēng)化程度較高的巖層中，洞頂位置還有局部砂層存在，一旦與水相遇很容意引發(fā)滲流現(xiàn)象。

從工程實(shí)例中的塌陷事故分析，我們可以看到塌陷事故中都有涌水涌砂現(xiàn)象，可以判斷出動(dòng)水壓力是事故發(fā)生的主要誘因。在該地層條件下進(jìn)行隧道挖掘施工，隧道的高度小于2.22 m時(shí)能夠形成不穩(wěn)定的壓力拱，非常容易引發(fā)失穩(wěn)破壞現(xiàn)象；而隧道高度在2.22 m以上時(shí)，壓力拱很容易會(huì)在下一級(jí)施工中被破壞，出現(xiàn)涌水涌砂并引發(fā)地面塌陷。所以在這種地層條件下進(jìn)行隧道施工，地表塌陷的客觀條件是非常豐富的[4]。

2.2.2 施工情況原因

地表塌陷事故除了和隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的地層條件有關(guān)，還會(huì)受到施工中施工狀況的影響，若是施工中工作人員操作不當(dāng)或是監(jiān)督檢測(cè)機(jī)制不良都可能引發(fā)事故。

a）地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作沒(méi)有做好。地表塌陷發(fā)生前都是有征兆的，超前預(yù)報(bào)應(yīng)該在挖掘工程到達(dá)旋噴加固區(qū)和洞內(nèi)深孔注漿加固區(qū)的邊界時(shí)事先做出預(yù)報(bào)，并采取有效的技術(shù)措施避免塌陷事故的發(fā)生。

b）洞內(nèi)深孔注漿加固程度不夠。在進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固時(shí)并沒(méi)能達(dá)到止水加固的目的，超前小導(dǎo)管注漿也沒(méi)有達(dá)成預(yù)先期望的效果，進(jìn)而發(fā)生涌水涌砂，并在水壓力的條件下造成壓力拱破壞，進(jìn)而引發(fā)地表塌陷。

c）沒(méi)有對(duì)地層沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。地層塌陷事故發(fā)生時(shí)路面不一定會(huì)發(fā)生同步的變形，所以單純的路面沉降監(jiān)測(cè)并不能同時(shí)監(jiān)測(cè)路面下方的地層，從而施工方也沒(méi)能在塌陷發(fā)生前檢測(cè)到地層的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法避免事故發(fā)生。

3 避免地表塌陷的可行措施

參考以上的地層土質(zhì)分析，想要避免地層塌陷事故就要做好隧道支護(hù)工作，具體的可行措施包括：

a）盡量減少無(wú)支護(hù)空間，若是工作面出現(xiàn)了無(wú)支護(hù)空間，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行預(yù)支護(hù)，有效避免地表塌陷。

b）施工現(xiàn)場(chǎng)的土體比較松軟很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、小范圍的塌方，這時(shí)施工人員要及時(shí)采取有效措施避免更大的塌方事故出現(xiàn)。

c）對(duì)地下水處理加強(qiáng)重視，地表塌陷的誘因就是施工中常見(jiàn)的涌水流砂，采用注漿進(jìn)行止水后，便能有效防止地表塌陷。

d）維持地層壓力拱的穩(wěn)定，該施工現(xiàn)場(chǎng)的地層松軟且有較多的砂層和不良地質(zhì)體，要采取針對(duì)性的有效措施進(jìn)行地層加固，保證施工安全。

e）對(duì)拱腳的變形進(jìn)行檢測(cè)控制，若是遇上已經(jīng)發(fā)生塌方的地段，要及時(shí)加強(qiáng)地層加固工作，對(duì)之前進(jìn)行過(guò)加固支護(hù)的部位進(jìn)行注漿補(bǔ)充。

f）地表塌陷是通過(guò)長(zhǎng)期的積累而引發(fā)的突發(fā)性事故，在發(fā)生之前并沒(méi)有明顯的征兆，所以施工人員要在容易發(fā)生塌陷的地段進(jìn)行深部監(jiān)測(cè)，對(duì)地層沉降做出預(yù)報(bào)，在塌陷前及時(shí)處理。

4 結(jié)語(yǔ)

采用淺埋暗挖隧道施工法進(jìn)行地鐵隧道挖掘施工時(shí)，由于地質(zhì)條件和施工狀況會(huì)導(dǎo)致地表塌陷事故的發(fā)生，施工單位及相關(guān)專家應(yīng)及時(shí)找出導(dǎo)致事故發(fā)生的原因，并提出針對(duì)性的解決策略，保證工程質(zhì)量，提升企業(yè)效益。