淺埋暗挖法地表沉降原因分析

【摘要】淺埋暗挖法作為城市地下工程主要的施工方法，具有對地面交通干擾小、拆遷少、施工靈活等優點，但該工法可能引起較大的地表沉降。為此國內外眾多學者對淺埋暗挖法引起的地層沉降進行了廣泛而長期的理論研究，最后取得比較一致的意見：土體的固結沉降、施工引起的地層損失、隧道開挖后地層初始應力改變三方面是導致淺埋隧道地層變形的主要原因。

【關鍵詞】淺埋暗挖法；地表沉降；原因分析

目前，我國地鐵的修建處于高峰時期[1，2]，由于地鐵埋深較淺，修建過程中引起土層初始應力場的變化會導致的地層位移發生改變進而波及地表，產生不均勻沉降，地表的沉降會對地面周邊的建筑物、構筑物和地下管線產生不同程度的影響，當沉降達到一定限值后就會產生損壞，極有可能引發安全事故，因此正確認識并利用地表沉降規律，保證隧道開挖和支護形式的合理性是很重要的。

1、土體的固結沉降

簡單的說，土的固結是指在荷載等因素作用下，土體水分排出，土體體積減小、密度及強度增大的現象。

廣義上的土體固結是指土的壓縮過程，通常意義下的固結僅指飽和土的固結，當荷載剛施加在飽和土上時，由于土體孔隙中充滿了水，土體所受的附加壓力全部由孔隙水壓力承擔，隨著水分的排出，有效應力逐步分擔附加壓力，當土體孔隙水分完全排出后，有效應力承擔全部附加壓力，這就是土體的固結過程。簡單的講，土體固結就是附加壓力由孔隙水壓力轉移到有效應力的過程。固結按其發生機理可以分主固結與次固結，主固結是指土體受壓，孔隙水排出，孔隙水壓力逐步轉化為有效應力的過程，也稱滲透固結；次固結沉降是指主固結完成后，變形隨時間緩慢增長導致的沉降。這種變形既包括剪應變，又包括體積變化，主要取決于土骨架本身的蠕變性質，與孔隙水排出無關。在一些軟土、淤泥等孔隙比較大的土層中，次固結沉降不僅持續時間長而且在整個沉降量中占有較大比重，個別可高達35%，不容忽視。

結合土的固結理論和與地下工程的特點，我們可以將土的固結沉降歸結為以下4個方面：（1） 地下水位的下降；（2）孔隙水溢出；（3）開挖對土體的擾動；（4）土體的后期固結沉降。

2、地層損失

地層損失指的是在隧道開挖后，挖出的全部土體體積與實際隧道體積之差。地層損失的大小與隧道的施工工法密切相關。在地層損失的相關研究中，盾構法施工造成的地層損失研究相對完善，淺埋暗挖法引發的地層損失研究相對薄弱。這將成為今后地層損失理論研究的重點。下面就淺埋暗挖法導致地層損失的原因進行說明。

（1）采用淺埋暗挖法開挖隧道時，不可避免會產生超挖欠挖。

（2）當城市地鐵所處地質條件較差或開挖面處于地下水位之下時，隧道往往會發生涌水、滲水、掉塊甚至危害性較大塌方，這些因素都會導致地層損失。

（3）掌子面土體移動。開挖掌子面時，當支護應力小于原始側壓力時會產生應力釋放，土體伴隨著應力釋放向隧道內部移動，導致掌子面上方地層沉降。

（4）為滿足隧道施工進度，原巖應力未完全釋放就施加初期支護，我們在做支護設計時需預留一定的變形量，造成地層損失。

（5）襯砌在周圍土壓力作用下不可避免產生變形，致使地層損失。

3、地層初始應力改變

巖體初始應力是存在于地殼中的未受工程擾動的天然應力，也稱原巖應力。城市地鐵隧道的開挖勢必會對土體中的初始地應力產生擾動，初始應力得到釋放；同時隧道的開挖引起附加應力的產生，地層在初始應力和附加應力共同作用下產生彈塑性變形，地表產生沉降。

通常情況下，淺埋暗挖隧道開挖后會在周圍地層中形成松動圈、承載環、原始應力區三個不同的應力區域，隧道臨空面的增加導致地應力狀態由三維變成二維，圍巖產生松動，松動圍巖產生的荷載作用在襯砌上，同時支護襯砌抑制圍巖松動所產生的變形，兩者相互作用使地層重新達到平衡。

隧道開挖面地應力重分布會導致周圍地應力的變化，進而導致相鄰地層的位移變化，并延伸到地層深處，與深埋隧道相比，淺埋隧道更容易受到這種向上傳遞位移的影響，由于城市地鐵一般埋深較淺，位移容易發展到地表形成沉降槽，對周邊環境產生不可忽略的影響。

參考文獻：

[1]王夢恕.淺埋暗挖法設計、施工問題新探[J].地下空間，1992，12（4）：289-294.

[2]楊立，劉衛功.淺埋暗挖法技術及其在地鐵建設中的應用[J].市政技術，2006，24（4）：241-243+247.

基金項目：

湖南省研究生科研創新基金資助項目（CX2015B572）；湖南工業大學研究生創新基金資助項目：（CX1714）.