趙 學(xué) 峰

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，山西 太原 030024)

城市隧道施工地面塌陷機(jī)理與控制

趙 學(xué) 峰

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，山西 太原 030024)

在統(tǒng)計(jì)分析地下隧道開(kāi)挖地面沉陷事故的基礎(chǔ)上，研究了地面沉陷的誘導(dǎo)因素和發(fā)生類(lèi)型，并對(duì)事故機(jī)理展開(kāi)了深入探討，針對(duì)不良地質(zhì)因素和管線(xiàn)滲漏的情況給出了相應(yīng)的控制措施，對(duì)今后類(lèi)似工程的施工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隧道施工，地面塌陷，機(jī)理，管線(xiàn)滲漏

近年來(lái)，我國(guó)城市建設(shè)大規(guī)模發(fā)展，隧道建設(shè)工地頗多，地面坍塌事故頻頻發(fā)生，已經(jīng)引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1，2]。2007年3月28日，北京地鐵10號(hào)線(xiàn)蘇州街車(chē)站東南出入口在施工中發(fā)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(lái)水管線(xiàn)斷裂，涌出的水迅速淹沒(méi)了整個(gè)燕莎橋路口。2008年11月15日，杭州蕭山區(qū)風(fēng)情大道地鐵施工工地發(fā)生大面積地面塌陷事故；2009年8月2日，西安地鐵一號(hào)線(xiàn)灑金橋站施工現(xiàn)場(chǎng)，在冠梁溝槽開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)約10 m3泥土塌方，造成極大的不良社會(huì)影響。圖1為典型的地面坍塌事故。

在施工過(guò)程中，地表變形是緩慢而不易察覺(jué)的，而地面塌陷事故卻是突發(fā)的，具有很大的危險(xiǎn)性，會(huì)引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。目前，地面坍塌事故多發(fā)的主要原因在于沒(méi)有從根本上弄清事故的誘發(fā)機(jī)理，使得預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確、不及時(shí)，因此，從本質(zhì)上研究隧道的地面沉陷機(jī)理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)理分析

1.1 事故統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)北京地鐵隧道施工過(guò)程中的安全事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到如下結(jié)果，見(jiàn)表1?？梢钥闯?，當(dāng)考慮到管理原因引發(fā)的事故時(shí)，地面塌陷事故所占據(jù)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(lèi)型所占比例十分高。為了進(jìn)一步探究事故的誘發(fā)因素，采用統(tǒng)計(jì)手段對(duì)事故的主導(dǎo)因素進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，不良地層條件和管線(xiàn)滲漏是引發(fā)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(jī)理

地面塌陷事故機(jī)理是比較復(fù)雜的，大致可以分為兩大類(lèi)，第一類(lèi)為由于隧道開(kāi)挖，直接導(dǎo)致上方巖土體下沉，造成地面塌陷；第二類(lèi)為由于隧道開(kāi)挖，造成管線(xiàn)破壞或者不良地質(zhì)體破壞，從而引發(fā)地面塌陷[4]。

1.2.1 第一類(lèi)地面塌陷

地下隧道在開(kāi)挖之后，在沒(méi)有支護(hù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)下，硐室周?chē)膸r石將會(huì)由內(nèi)向外破壞。如果硐室上部的巖土體足夠厚度，在某一個(gè)高度后圍巖會(huì)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(huì)形成，地面會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形。一般情況下，隧道的斷面都是分布開(kāi)挖的，在斷面面積很小的時(shí)候，壓力拱拱高較低，隨著開(kāi)挖斷面的增大，壓力拱的高度也會(huì)逐步上升，原來(lái)處于壓力拱上部的巖體變?yōu)閴毫暗南虏?，如果支護(hù)不及時(shí)或者強(qiáng)度達(dá)不到要求，就會(huì)造成巖體失穩(wěn)，地面塌陷。開(kāi)挖工程中壓力拱的高度變化見(jiàn)圖3。

1.2.2 第二類(lèi)地面塌陷

第二類(lèi)地面塌陷事故屬于間接因素導(dǎo)致的，主要包含兩個(gè)方面：地下不良地質(zhì)體(地下空洞)和地下管線(xiàn)的破壞滲漏，而地下工程開(kāi)挖造成地下應(yīng)力不平衡是其引導(dǎo)因素。下面對(duì)這兩種情況分別討論。

1)地下空洞引起地面塌陷。

在地質(zhì)形成的過(guò)程中，地下空洞是隨機(jī)存在的。隧道工程在開(kāi)挖過(guò)程中，必然會(huì)對(duì)空洞造成擾動(dòng)，導(dǎo)致空洞周?chē)鷳?yīng)力平衡打破，甚至拓展連通，造成地面塌陷。本文采用數(shù)值模擬的手段分析地下空洞與隧道開(kāi)挖的穩(wěn)定性。參考北京地鐵隧道標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)圖4，上部巖體高度12.5 m，計(jì)算選用參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)

假定隧道正上方有一空洞，相距2.5 m。隨著地下工程的開(kāi)挖，空洞周?chē)纬纱罅康乃苄詤^(qū)，并且逐步擴(kuò)大，當(dāng)塑性區(qū)連通隧道至地表時(shí)，地面塌陷事故發(fā)生。

圖5為空洞的塑性區(qū)變化趨勢(shì)圖。

2)地下管線(xiàn)滲漏。

在我國(guó)，地下管線(xiàn)滲漏情況十分普遍，個(gè)別情況管線(xiàn)滲漏十分嚴(yán)重，此時(shí)必然會(huì)造成地下沙土流動(dòng)，當(dāng)?shù)叵碌耐令w粒被水流帶走之后會(huì)形成空洞，從而引起地面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。調(diào)查顯示，在地下管線(xiàn)附近區(qū)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。圖6為管道滲漏后，附近區(qū)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(fù)雜，因此，災(zāi)害的防治也是一個(gè)系統(tǒng)工程，其中最重要的部分為地下不良地質(zhì)因素和管線(xiàn)滲漏的治理。針對(duì)不良地質(zhì)體，施工單位要進(jìn)行超前探測(cè)，當(dāng)遇到地層地質(zhì)松散區(qū)和空洞區(qū)要及時(shí)回填或注漿處理。針對(duì)地下管線(xiàn)滲漏的問(wèn)題，采用響應(yīng)的控制技術(shù)。首先，準(zhǔn)確地掌握地下管線(xiàn)的情況，明確地下管線(xiàn)的性質(zhì)，類(lèi)別，所有權(quán)，除了從資料信息了解情況之外，必要情況下要實(shí)地調(diào)查；其次，制定管線(xiàn)的保護(hù)方案。對(duì)于靠近施工地點(diǎn)以及滲漏嚴(yán)重地下管線(xiàn)，要采取治理措施，如注漿手段進(jìn)行防護(hù)；此外，還要采用監(jiān)控手段對(duì)管線(xiàn)的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

[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(duì)策[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,33(3):52-59.

[2] 朱勝利，王文斌，劉維寧，等.地鐵工程施工的風(fēng)險(xiǎn)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(shè)管理有限公司,北京交通大學(xué),2006.

[4] 賀可強(qiáng)，王 濱，萬(wàn)繼濤.棗莊巖溶塌陷形成機(jī)制與致塌模型的研究[J].巖土力學(xué),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(xué)峰(1982- )，男，助理工程師

U458.3

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