分析淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制

摘要：在進行海底隧道淺埋暗挖施工過程中，最為核心的問題便是地表塌陷的防控工作，如果海床塌陷事故發生了，那么將導致大量的海水涌入到施工的隧道中，將導致的后果堪稱災難性的。所以，對于地表塌陷事故發生的原因以及機制、誘使發生的原因以及塌陷事故發生以后的控制措施進行明確以及掌握是整個底隧道淺埋暗挖施工過程中工程質量保證最重要的手段以及方法。本文主要針對地表塌陷事故發生的原因以及機制、誘使發生的原因以及塌陷事故發生以后的控制措施進行簡單的分析以及研究，希望可供同行朋友借鑒參考。

關鍵詞：淺埋暗挖隧道工程控制地表塌陷

一、地表塌陷事故發生的原因以及機制分析

（一）機制分析

因為隧道挖掘工程所引起的地表發生的變形或者是沉降，其本身是一個較為復雜的過程，在這個過程中，包括有應力的傳遞以及變形傳遞。同時在整個傳遞的過程中還伴隨有失水固結（土體）的現象發生。按照相關的平衡理論，選擇在一些粘聚力較大的介質中進行洞室的挖掘以后，如果并沒有支護措施，那么將導致隧道的為圍巖部分從里面到外面都會逐漸的發生失穩破壞現象，其次，如果上面的覆地層保證足夠的厚度，那么當隧道發生塌方并給到達一定的高度以后，圍巖將逐漸的形成一個壓力拱，并且保持自然平衡狀態，同時土體也將停止破壞，如果力學條件發生的改變達到了一定的強度，那么這個壓力拱將會受到破壞，這樣就導致了地表塌陷的事故發生。

如果我們假設壓力拱的跨度是b，其高度為hh，為了將壓力拱本身的高度計算得出，我們選擇壓力拱左邊部分的AO段進行物理分析（即受力分析），示意圖請參考下圖2中所示。在拱的上部，存在有荷載q的作用力，并且為垂直均布，以及滲透力f（垂直作用），而針對O點，其承載的作用力包括有左半拱AO段受到的來自于右半拱BO段帶來的支撐力T（作用方向為水平切向），在A點受到的作用力包括有垂直反力N以及水平反力H。

圖2：力學分析示意圖（壓力拱）

此時拱的左半部分處于平衡狀態，其滿足平衡的條件為下列所示：

（1）

（2）

T=H（3）

（4）

同時又因為拱在平衡狀態（極限）的同時，其A處拱腳處所受到的水平反力H因為受到垂直反力N的作用，而平衡，所以存在有：

H=f0N（5）

在上面的式子中，我們用f0代表土體本身的堅固性系數（或似摩擦因數）的大小。

如果我們將（5）式代入到（3）式中，我們可以得到：

T=f0N（6）

為了使得整個拱在其水平方向可以保證有充足的穩定性能，必須使得H>T，那么即是T=f0N，我們選取其安全系數，數值為2.所以存在：

2T=f0N（7）

如果我們將（2）式以及（7）式代入到上述（4）式中，我們可以得到：

（8）

按照相關的理論，如果對象底層為松散性質的時候，其地下的洞室的側壁在滑動的過程中，和垂線之間的夾角保持為，詳細請參考下圖3中所示，我們通過土壓力理論可以得到：

（9）

在上面的式子中，表示的是上覆地層存在的內摩擦角度值。

圖3：針對壓力拱跨度進行計算示意圖

對于壓力拱跨度以及高度的計算，我們可以將其表示成為：

B=2a+d==2h’tan（-/2+45°）+d（10）

hh={2h’tan（-/2+45°）+d}/f02（11）

在上面的式子中：隧道跨度用d表示，開挖的高度用h’進行表示。

我們常用的普式理論并不是所有的情形都適合，假如地下洞室本身的埋深并不具有足夠的深度的話，那么并不會有壓力拱形成，該理論主要的適用范圍包括有：

2hh≤h（12）

（二）淺析塌陷原因

（1）地層原因分析

下圖4中主要針對隧道塌陷事故主要的發生未知以及地址的縱段示意圖。

圖4：隧道塌陷事故主要的發生未知以及地址的縱段示意圖

根據工程地質勘察報告和土體的物理力學性質及微觀結構分析，在該區間范圍內地層主要特征如下：

①位于素填土下部的淤泥質粉土，分布廣泛，厚0 ～4.6 m，局部夾粉細砂或粗礫砂。該層土為欠固結土，中等靈敏度，工程性質差。

②淤泥質土層或粉質黏土下不均勻存在粉砂、中砂、礫砂，滲透性好，地下水埋深淺，施工中地下水處理不當，易出現流砂、管涌等現象。

③地層物理性質試驗及 X 射線衍射結果表明：地層含水量較大，含砂較多，多呈松散狀態。地層中普遍存在石英，地層傾向于散粒體，開挖施工排水時滲流易沖刷夾帶粉細砂粒，造成地層變形過大，對工程極為不利。

④地層結構電鏡掃描示意圖（如圖5所示）表明：地層中粉砂顆粒組成不均勻，粒徑0.005～0.05 mm，松散，少膠結物，橫斷面有大至0.05 mm 左右的空洞，遇水滲流時，細小顆粒易被帶走充填空洞，引起地層位移；礫砂顆粒以0.06 mm 左右為主，另有更大顆粒，縱斷面結構顯示有較大空隙，約0.3mm。

1）中砂；2）礫砂

圖5：地層結構電鏡掃描示意圖

（二）施工原因淺析

在進行施工的過程中，也可能因為施工不當導致地表發生塌陷事故，一方面可能因為在進行施工以前并沒有對地質預報工作進行詳細的檢查；另一方面則是因為具體的施工過程中深孔注漿范圍還不夠要求。再者，因為施工過程中，對于沉降的監測并沒有全面的進行，僅僅是針對隧道上方的地面進行監測，但是并沒有對深層的底層進行檢測，導致對路面結構缺乏認知，施工中并不能完全滿足地層的要求。

二、塌陷事故發生以后的控制措施介紹

根據對松散富水地層中隧道施工引起地表塌陷的機制和原因分析可知，采取地層預加固措施并及時進行隧道支護是避免地表塌陷的重點和核心。

（1）工作面無支護空間是影響地表塌陷的重要因素，因此，在施工中應盡量減少無支護空間，并針對此空間施作預支護結構，是避免地表塌陷的前提條件。

（2）由于土體的松軟及蠕變特性，地層中壓力拱結構的失穩還受到時間因素的影響，因此在隧道施工中當小范圍的塌方出現時應及時處理，以促成下一級壓力拱的形成和穩定，避免造成更大范圍的塌方和地表塌陷。

（3）在進行實際施工的過程中，地表塌陷最為主要的原因便是施工過程中流砂涌水現象，所以，在進行施工的過程中，必須對地下水進行仔細的處理，一般情況下可以通過旋噴或者是注漿的方式進行堵水，同時防止涌水流水導致的地表塌陷以及隧道塌方。

（4）鑒于地層壓力拱結構的失穩多是由拱腳的破壞引起，因此拱腳的變形和破壞應是隧道施工中監測和控制的重點，遇有砂層，尤其是已經發生塌方的地段應加強隧道兩側和前方地層的注漿加固和支撐，同時對初期支護背后及時補充注漿。

（5）地表塌陷往往具有突發性，塌陷之前地表通常無明顯沉降，因此在易發生地表塌陷地段應進行地層深部位移監測，并加強洞內監測，以便對地層沉降作出準確的預報，有塌陷預兆時及時處理，從而避免地表塌陷的發生。

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