隧道開挖引起地表沉降控制基準及控制措施

郭龍慧

面對越來越多地下工程建設的發展趨勢,如何在開挖過程中有效地控制開挖引起的地表沉陷以保護工程沿線建筑物的安全,已成為城市地下工程必須解決的一項重要課題。因此,隧道施工過程中,了解施工可能導致對周圍建筑物的損害,即在地表變形預計的基礎上,有準備的在施工過程中進行量測監控,根據隧道施工對于周圍環境影響程度的評價方法及指標進行判斷,通過影響評價結果,針對性的提出減少開挖對地表建筑產生不良影響的技術措施。

1 隧道開挖引起的地表損害形式

隧道開挖施工引起的對建筑物的損害,常見的可以從下列形式表現出來:1)地表均勻沉降損害。地表的均勻沉降使建筑物產生整體下沉,一般來說,這種均勻沉降對于建筑物的穩定性和使用條件不會產生太大的影響,但過量的地表下沉,也有可能帶來嚴重后果。2)地表傾斜損害。地層不均勻的沉降所致的地層傾斜改變了地面的原始坡度,將可能對建筑物產生危害。地表傾斜對于高度大而底面積小的高聳建筑物的影響較大。3)地表曲率損害。由于曲率使得地表形成曲面,地表曲率對建筑物有較大影響。在負曲率(地表相對下陷)的作用下,建筑物的中央部分懸空,使墻體產生正八字裂縫。如果建筑物長度過大,則在重力作用下,建筑物將會從底部斷裂,使建筑物破壞;在正曲率(地表相對上凸)的作用下,建筑物的兩端將會部分懸空,使建筑物墻體產生倒八字裂縫。4)地表水平變形損害。地表水平變形有拉伸和壓縮兩種,它對建筑物的破壞作用很大,尤其是拉伸變形的影響,建筑物抵抗拉伸變形的能力遠小于抵抗壓縮變形的能力,壓縮變形使墻體產生裂縫,并使縱墻褶曲,屋頂鼓起。

2 控制措施

1)改善圍巖特性。眾所周知,目前所有的開挖方法及支護方式都是緊緊圍繞著巖性展開的。從設計的角度來說,盡量避免隧道穿越圍巖條件較差地段,但由于其他條件的限制而穿越時,首先就應該提高圍巖的屬性。在進行以上數值模擬時,我們是通過調節 c,φ來完成的。注漿后,粘聚力c提高了原來的 30%;φ對地表沉降的影響不大,在計算時其值可不變,也可以提高一級圍巖的參數。現在Ⅳ圍巖條件下進行分析。

表1 不同部位注漿對地表沉降的控制效果

從表 1中看出:沒有注漿時,地表下沉達 13.72mm,邊墻注漿后,地表下沉減少了 2.55mm,但仍達到 11.17mm;拱部注漿效果明顯,地表下沉減少了 5.48mm,下沉量僅為 8.24mm;拱部邊墻都注漿后,地表下沉減少了 6.89mm,下沉量減少到 6.83mm。雖然增強了邊墻注漿,但較單純拱部注漿,減小地表沉降的效果不明顯。

2)增大隧道埋深。在條件允許的情況下,隧道設計時增加隧道埋深,是減少地面沉降的有效途徑。并且增大隧道埋深,圍巖自穩能力較好,所需襯砌支護較少,而且隧道埋深較大可以減少洞室開挖爆破及隧道運營時引起的地面振動和噪聲。從這點意義上說,城市隧道施工,較大的埋深其優越性較大。

從圖 1可知,隨著埋深的增加,沉降曲面變淺變寬,曲線的傾斜斜率減小。從洞室穩定的角度來說,隧道埋深的增大,圍巖具有自承拱能力,減少了作用在隧道支護上的力;從地表建筑的角度來說,建筑的破壞主要是隧道開挖過程中的不均勻沉降,隧道埋深的增大,曲線的傾斜斜率減小,有利于上覆建筑的安全。

3)合理確定開挖進尺。對城市地鐵尤其是軟弱地層隧道,開挖進尺必須根據地層特性來確定。

從圖 2可知,減少每次開挖進尺,能夠減少地表沉降量。以開挖進尺 1m為地表沉降的基準,開挖進尺為2m,3m時,最大地表沉降分別增大 45%和64%。由此可見,采用較短進尺對地表沉降的控制很有利。因此盡量采用不超過 0.25D的短進尺。

4)加強初期支護。在軟弱破碎及不穩定的地層中采用淺埋暗挖法施工時,利用混凝土噴層作為隧道初期支護對保證開挖后隧道的穩定性、減少地表沉降都具有一定作用。不同的噴層厚度對地表沉降進行分析,結果見圖 3。

表2 不同噴層厚度的支護效果

從表 2中看出:利用混凝土噴層作為隧道初期支護對保證開挖后隧道的穩定性、減少地層擾動和地表沉降,都具有一定作用,厚度超過 30 cm。但僅增大噴射混凝土厚度來控制地表沉降是不夠的,也不經濟,還要考慮超前支護及鋼架。

初期支護施作后,支護本身有一個徐變過程。對超前支護,一般采取增大小導管直徑、減小布置間距、擴大注漿范圍和嚴格注漿等措施加強。對型鋼鋼架,可適當縮小拱架間距;在間距一定時,選用大截面鋼架,根據工程需要選擇拱部、拱墻、全環加強支護,從而增大支護初期剛度。

3 結語

圍巖條件是地表沉降的根本因素,選擇適合的隧道埋深、開挖進尺、支護措施對地表沉降的控制也起到決定性的作用。基于此,在隧道設計之初,就應該盡量避免隧道穿越圍巖條件較差地段。但是由于其他條件的限制而不得不穿越時,首先就是要考慮施工方法、開挖進尺,減少施工對圍巖的擾動,通過注漿改善圍巖特性,另外就是以強支護來控制地表沉降。

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