淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制

趙富家

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

在城市化進程越來越快的今天，我國人口眾多，道路交通越來越擁擠，為了解決這一問題，我國的各大城市都在積極地開發地下鐵路工程。另外，城市中各類管線的鋪設也需要建設特有的工程，所以城市建設中常常會遇見隧道施工，若是施工技術手段不當很容易引發地表塌陷，不僅危及到隧道的正常開發，嚴重時甚至會對施工人員的人身財產安全造成威脅。近年來國內外的地鐵建設中類似事故比較常見，我們應該對施工中淺埋暗挖技術引發的塌陷現象進行分析，找出具體原因并提出針對性的解決策

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域，這個地區很多年前曾經是濕地，富含較多地下水，剛剛開始挖掘不到1 m就見水了，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，施工用的大型機械并不能使用，也無法正常打樁，所以采用了淺埋暗挖施工方案。

在施工過程中，支護工作采用的是小導管注漿法和鋼架錨桿聯合支護法，容易出現問題的地段則采用注漿旋噴加固進行特殊加固。該隧道圍巖結構較弱，含水量非常大，從而僅在施工挖掘的過程中就出現了兩起地表塌陷事故[2]。

第一次塌陷發生在隧道剛開始挖掘的位置，挖掘前已經采取了地表止水旋噴加固措施，并在開挖后采用小導管進行預加固。實際施工的狀態下剛開始僅有拱頂發生少量滲水，但是累計挖掘一小段距離時，地層發生了大變形，并伴有涌泥涌砂現象，導致地表塌陷范圍達到挖掘長度的70%。事故發生后工作人員及時重新對塌陷地面進行水泥—水玻璃雙注漿法加固，并輔以中空注漿管棚加固。

加固完畢后繼續正常施工，但是滲水量依舊非常大，嚴重影響到了隧道繼續開挖，經過專業人員分析得知，中空注漿管棚沒有起到應有的作用，所以改用雙層小導管注漿法和洞內深孔注漿法重新止水加固，繼續開挖。但是一段距離后，核心土處卻一直有水流出，同時伴有大量的涌砂現象，進而發生了地表塌陷。地表塌陷后，隧道多處又同時出現涌水現象，并且還在逐漸加量，因此必須馬上進行全面加固處理[3]。

2 導致地表塌陷的原因分析

2.1 地表塌陷機制

采用淺埋暗挖技術進行隧道挖掘施工而引發的地表沉降事故是很復雜的過程，引發原因是各種各樣的，發生過程也是各不相同的，但是總的來說都是由挖掘過程產生應力，應力傳遞引發地層變形。開始挖掘工程時，若是沒有采用支護措施，那么隧道的圍巖很容易因為失穩而被破壞，盡管上覆地層的厚度夠用，土體不會進一步發生破壞，但是在隧道挖掘的過程中力學條件是會不斷變化的，當壓力拱被破壞時，就會引發地表塌陷事故。

以上述的塌陷事故為例，我們可以看出，整個工程的力學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狀態、被破壞、再形成新壓力拱的循環過程中。當沒有支護條件時，隧道很難形成自然平衡的壓力拱，這時我們可以定義一個臨界壓力拱，當壓力拱成為臨界壓力拱時繼續挖掘工程，勢必會導致地層土體無法形成下一級壓力拱，從而造成水破壞而形成地表塌陷。為了解決這種問題，施工中采用了適當的支護措施，在一定程度上限制上覆地層的變形，促進壓力拱的形成，有效避免地表塌陷事故的發生。由此可見，在隧道施工前對地層進行加固，及時進行預支護工作，是預防地表塌陷的關鍵所在。

2.2 地表塌陷原因

地表塌陷原因是比較復雜的，根據實地考察并對塌陷現場的狀況進行分析，可以找出不同方面的原因。

2.2.1 地層條件的原因

實地考察后，我們可以對當地的土體進行力學性質分析，采用高精密儀器分析其微觀結構，參考勘測人員的報告進行分析，得出該地的地層特征為：淤泥質粉土分布廣泛，地下水含量豐富，工程性質較差，滲透性非常好，若是地下水處理不當很容易引發流砂管涌問題；隧道的洞身處于風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滲流現象。

從工程實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象，可以判斷出動水壓力是事故發生的主要誘因。在該地層條件下進行隧道挖掘施工，隧道的高度小于2.22 m時能夠形成不穩定的壓力拱，非常容易引發失穩破壞現象；而隧道高度在2.22 m以上時，壓力拱很容易會在下一級施工中被破壞，出現涌水涌砂并引發地面塌陷。所以在這種地層條件下進行隧道施工，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場的地層條件有關，還會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或是監督檢測機制不良都可能引發事故。

a）地質超前預報工作沒有做好。地表塌陷發生前都是有征兆的，超前預報應該在挖掘工程到達旋噴加固區和洞內深孔注漿加固區的邊界時事先做出預報，并采取有效的技術措施避免塌陷事故的發生。

b）洞內深孔注漿加固程度不夠。在進行洞內注漿加固時并沒能達到止水加固的目的，超前小導管注漿也沒有達成預先期望的效果，進而發生涌水涌砂，并在水壓力的條件下造成壓力拱破壞，進而引發地表塌陷。

c）沒有對地層沉降進行監測。地層塌陷事故發生時路面不一定會發生同步的變形，所以單純的路面沉降監測并不能同時監測路面下方的地層，從而施工方也沒能在塌陷發生前檢測到地層的真實運動狀態，無法避免事故發生。

3 避免地表塌陷的可行措施

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

a）盡量減少無支護空間，若是工作面出現了無支護空間，應及時進行預支護，有效避免地表塌陷。

b）施工現場的土體比較松軟很容易出現結構失穩、小范圍的塌方，這時施工人員要及時采取有效措施避免更大的塌方事故出現。

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

d）維持地層壓力拱的穩定，該施工現場的地層松軟且有較多的砂層和不良地質體，要采取針對性的有效措施進行地層加固，保證施工安全。

e）對拱腳的變形進行檢測控制，若是遇上已經發生塌方的地段，要及時加強地層加固工作，對之前進行過加固支護的部位進行注漿補充。

f）地表塌陷是通過長期的積累而引發的突發性事故，在發生之前并沒有明顯的征兆，所以施工人員要在容易發生塌陷的地段進行深部監測，對地層沉降做出預報，在塌陷前及時處理。

4 結語

采用淺埋暗挖隧道施工法進行地鐵隧道挖掘施工時，由于地質條件和施工狀況會導致地表塌陷事故的發生，施工單位及相關專家應及時找出導致事故發生的原因，并提出針對性的解決策略，保證工程質量，提升企業效益。