城市隧道施工地面塌陷机理与控制

赵 学 峰

(中铁十二局集团第三工程有限公司，山西 太原 030024)

城市隧道施工地面塌陷机理与控制

赵 学 峰

(中铁十二局集团第三工程有限公司，山西 太原 030024)

在统计分析地下隧道开挖地面沉陷事故的基础上，研究了地面沉陷的诱导因素和发生类型，并对事故机理展开了深入探讨，针对不良地质因素和管线渗漏的情况给出了相应的控制措施，对今后类似工程的施工具有重要的现实意义。

隧道施工，地面塌陷，机理，管线渗漏

近年来，我国城市建设大规模发展，隧道建设工地颇多，地面坍塌事故频频发生，已经引起了社会各界的广泛关注[1，2]。2007年3月28日，北京地铁10号线苏州街车站东南出入口在施工中发生坍塌。30 d之后，这条地铁又由于基坑坍塌，造成燕莎桥东北角地下一处直径600 mm的自来水管线断裂，涌出的水迅速淹没了整个燕莎桥路口。2008年11月15日，杭州萧山区风情大道地铁施工工地发生大面积地面塌陷事故；2009年8月2日，西安地铁一号线洒金桥站施工现场，在冠梁沟槽开挖支护过程中出现约10 m3泥土塌方，造成极大的不良社会影响。图1为典型的地面坍塌事故。

在施工过程中，地表变形是缓慢而不易察觉的，而地面塌陷事故却是突发的，具有很大的危险性，会引起巨大的经济损失和人员伤亡。目前，地面坍塌事故多发的主要原因在于没有从根本上弄清事故的诱发机理，使得预测和预报不准确、不及时，因此，从本质上研究隧道的地面沉陷机理具有重要的现实意义。

1 机理分析

1.1 事故统计

通过对北京地铁隧道施工过程中的安全事故进行统计分析，得到如下结果，见表1。可以看出，当考虑到管理原因引发的事故时，地面塌陷事故所占据的比例为36%，排除管理原因之后，地面坍塌事故比例明显上升，为67%，该事故类型所占比例十分高。为了进一步探究事故的诱发因素，采用统计手段对事故的主导因素进行分析，结果见图2。可以看出，不良地层条件和管线渗漏是引发事故的最主要因素[3]。

表1 地面坍塌事故比例

1.2 塌陷事故机理

地面塌陷事故机理是比较复杂的，大致可以分为两大类，第一类为由于隧道开挖，直接导致上方岩土体下沉，造成地面塌陷；第二类为由于隧道开挖，造成管线破坏或者不良地质体破坏，从而引发地面塌陷[4]。

1.2.1 第一类地面塌陷

地下隧道在开挖之后，在没有支护结构的状态下，硐室周围的岩石将会由内向外破坏。如果硐室上部的岩土体足够厚度，在某一个高度后围岩会形成自然平衡的压力拱；如果上部的岩体比较薄，则压力拱不会形成，地面会产生严重变形。一般情况下，隧道的断面都是分布开挖的，在断面面积很小的时候，压力拱拱高较低，随着开挖断面的增大，压力拱的高度也会逐步上升，原来处于压力拱上部的岩体变为压力拱的下部，如果支护不及时或者强度达不到要求，就会造成岩体失稳，地面塌陷。开挖工程中压力拱的高度变化见图3。

1.2.2 第二类地面塌陷

第二类地面塌陷事故属于间接因素导致的，主要包含两个方面：地下不良地质体(地下空洞)和地下管线的破坏渗漏，而地下工程开挖造成地下应力不平衡是其引导因素。下面对这两种情况分别讨论。

1)地下空洞引起地面塌陷。

在地质形成的过程中，地下空洞是随机存在的。隧道工程在开挖过程中，必然会对空洞造成扰动，导致空洞周围应力平衡打破，甚至拓展连通，造成地面塌陷。本文采用数值模拟的手段分析地下空洞与隧道开挖的稳定性。参考北京地铁隧道标准，见图4，上部岩体高度12.5 m，计算选用参数见表2。

表2 数值模拟参数

假定隧道正上方有一空洞，相距2.5 m。随着地下工程的开挖，空洞周围形成大量的塑性区，并且逐步扩大，当塑性区连通隧道至地表时，地面塌陷事故发生。

图5为空洞的塑性区变化趋势图。

2)地下管线渗漏。

在我国，地下管线渗漏情况十分普遍，个别情况管线渗漏十分严重，此时必然会造成地下沙土流动，当地下的土颗粒被水流带走之后会形成空洞，从而引起地面结构失稳破坏。调查显示，在地下管线附近区域的土层松散度高，含水率偏高，承载能力低，这些因素都不利于地下硐室结构的稳定。图6为管道渗漏后，附近区域的地层情况。

2 地面沉陷事故的控制措施

地面沉陷事故的原因比较复杂，因此，灾害的防治也是一个系统工程，其中最重要的部分为地下不良地质因素和管线渗漏的治理。针对不良地质体，施工单位要进行超前探测，当遇到地层地质松散区和空洞区要及时回填或注浆处理。针对地下管线渗漏的问题，采用响应的控制技术。首先，准确地掌握地下管线的情况，明确地下管线的性质，类别，所有权，除了从资料信息了解情况之外，必要情况下要实地调查；其次，制定管线的保护方案。对于靠近施工地点以及渗漏严重地下管线，要采取治理措施，如注浆手段进行防护；此外，还要采用监控手段对管线的变化情况进行监测。

[1] 侯艳娟，张顶立，李鹏飞.北京地铁施工安全事故分析及防治对策[J].北京交通大学学报,2009,33(3):52-59.

[2] 朱胜利，王文斌，刘维宁，等.地铁工程施工的风险管理[J].都市快轨交通,2008,21(1):56-60.

[3] 张顶立，张成平，侯艳娟，等.北京地铁施工事故案例分析[R].北京:北京市轨道交通建设管理有限公司,北京交通大学,2006.

[4] 贺可强，王 滨，万继涛.枣庄岩溶塌陷形成机制与致塌模型的研究[J].岩土力学,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

赵学峰(1982- )，男，助理工程师

U458.3

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