城市隧道施工地面塌陷機理與控制

趙 學 峰

(中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西 太原 030024)

城市隧道施工地面塌陷機理與控制

趙 學 峰

(中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西 太原 030024)

在統計分析地下隧道開挖地面沉陷事故的基礎上，研究了地面沉陷的誘導因素和發生類型，并對事故機理展開了深入探討，針對不良地質因素和管線滲漏的情況給出了相應的控制措施，對今后類似工程的施工具有重要的現實意義。

隧道施工，地面塌陷，機理，管線滲漏

近年來，我國城市建設大規模發展，隧道建設工地頗多，地面坍塌事故頻頻發生，已經引起了社會各界的廣泛關注[1，2]。2007年3月28日，北京地鐵10號線蘇州街車站東南出入口在施工中發生坍塌。30 d之后，這條地鐵又由于基坑坍塌，造成燕莎橋東北角地下一處直徑600 mm的自來水管線斷裂，涌出的水迅速淹沒了整個燕莎橋路口。2008年11月15日，杭州蕭山區風情大道地鐵施工工地發生大面積地面塌陷事故；2009年8月2日，西安地鐵一號線灑金橋站施工現場，在冠梁溝槽開挖支護過程中出現約10 m3泥土塌方，造成極大的不良社會影響。圖1為典型的地面坍塌事故。

在施工過程中，地表變形是緩慢而不易察覺的，而地面塌陷事故卻是突發的，具有很大的危險性，會引起巨大的經濟損失和人員傷亡。目前，地面坍塌事故多發的主要原因在于沒有從根本上弄清事故的誘發機理，使得預測和預報不準確、不及時，因此，從本質上研究隧道的地面沉陷機理具有重要的現實意義。

1 機理分析

1.1 事故統計

通過對北京地鐵隧道施工過程中的安全事故進行統計分析，得到如下結果，見表1。可以看出，當考慮到管理原因引發的事故時，地面塌陷事故所占據的比例為36%，排除管理原因之后，地面坍塌事故比例明顯上升，為67%，該事故類型所占比例十分高。為了進一步探究事故的誘發因素，采用統計手段對事故的主導因素進行分析，結果見圖2。可以看出，不良地層條件和管線滲漏是引發事故的最主要因素[3]。

表1 地面坍塌事故比例

1.2 塌陷事故機理

地面塌陷事故機理是比較復雜的，大致可以分為兩大類，第一類為由于隧道開挖，直接導致上方巖土體下沉，造成地面塌陷；第二類為由于隧道開挖，造成管線破壞或者不良地質體破壞，從而引發地面塌陷[4]。

1.2.1 第一類地面塌陷

地下隧道在開挖之后，在沒有支護結構的狀態下，硐室周圍的巖石將會由內向外破壞。如果硐室上部的巖土體足夠厚度，在某一個高度后圍巖會形成自然平衡的壓力拱；如果上部的巖體比較薄，則壓力拱不會形成，地面會產生嚴重變形。一般情況下，隧道的斷面都是分布開挖的，在斷面面積很小的時候，壓力拱拱高較低，隨著開挖斷面的增大，壓力拱的高度也會逐步上升，原來處于壓力拱上部的巖體變為壓力拱的下部，如果支護不及時或者強度達不到要求，就會造成巖體失穩，地面塌陷。開挖工程中壓力拱的高度變化見圖3。

1.2.2 第二類地面塌陷

第二類地面塌陷事故屬于間接因素導致的，主要包含兩個方面：地下不良地質體(地下空洞)和地下管線的破壞滲漏，而地下工程開挖造成地下應力不平衡是其引導因素。下面對這兩種情況分別討論。

1)地下空洞引起地面塌陷。

在地質形成的過程中，地下空洞是隨機存在的。隧道工程在開挖過程中，必然會對空洞造成擾動，導致空洞周圍應力平衡打破，甚至拓展連通，造成地面塌陷。本文采用數值模擬的手段分析地下空洞與隧道開挖的穩定性。參考北京地鐵隧道標準，見圖4，上部巖體高度12.5 m，計算選用參數見表2。

表2 數值模擬參數

假定隧道正上方有一空洞，相距2.5 m。隨著地下工程的開挖，空洞周圍形成大量的塑性區，并且逐步擴大，當塑性區連通隧道至地表時，地面塌陷事故發生。

圖5為空洞的塑性區變化趨勢圖。

2)地下管線滲漏。

在我國，地下管線滲漏情況十分普遍，個別情況管線滲漏十分嚴重，此時必然會造成地下沙土流動，當地下的土顆粒被水流帶走之后會形成空洞，從而引起地面結構失穩破壞。調查顯示，在地下管線附近區域的土層松散度高，含水率偏高，承載能力低，這些因素都不利于地下硐室結構的穩定。圖6為管道滲漏后，附近區域的地層情況。

2 地面沉陷事故的控制措施

地面沉陷事故的原因比較復雜，因此，災害的防治也是一個系統工程，其中最重要的部分為地下不良地質因素和管線滲漏的治理。針對不良地質體，施工單位要進行超前探測，當遇到地層地質松散區和空洞區要及時回填或注漿處理。針對地下管線滲漏的問題，采用響應的控制技術。首先，準確地掌握地下管線的情況，明確地下管線的性質，類別，所有權，除了從資料信息了解情況之外，必要情況下要實地調查；其次，制定管線的保護方案。對于靠近施工地點以及滲漏嚴重地下管線，要采取治理措施，如注漿手段進行防護；此外，還要采用監控手段對管線的變化情況進行監測。

[1] 侯艷娟，張頂立，李鵬飛.北京地鐵施工安全事故分析及防治對策[J].北京交通大學學報,2009,33(3):52-59.

[2] 朱勝利，王文斌，劉維寧，等.地鐵工程施工的風險管理[J].都市快軌交通,2008,21(1):56-60.

[3] 張頂立，張成平，侯艷娟，等.北京地鐵施工事故案例分析[R].北京:北京市軌道交通建設管理有限公司,北京交通大學,2006.

[4] 賀可強，王 濱，萬繼濤.棗莊巖溶塌陷形成機制與致塌模型的研究[J].巖土力學,2002,23(5):564-569.

Mechanism and control measures of ground subsidence caused by city tunnel construction

ZHAO Xue-feng

(The3thEngineeringCo.,LtdofChinaRailway12thBureauGroup,Taiyuan030024,China)

On the basis of statistically analyzing underground tunnel excavation ground subsidence accident, the paper studies the ground subsidence causes and types, explores the accident mechanism, and puts forward corresponding control measures in light of poor geological factors and pipeline leakage conditions, which has important realistic meaning for similar engineering construction in future.

tunnel construction, ground subsidence, mechanism, pipeline leakage

1009-6825(2014)11-0216-03

2014-02-02

趙學峰(1982- )，男，助理工程師

U458.3

A