分析淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制

摘要：在進(jìn)行海底隧道淺埋暗挖施工過程中，最為核心的問題便是地表塌陷的防控工作，如果海床塌陷事故發(fā)生了，那么將導(dǎo)致大量的海水涌入到施工的隧道中，將導(dǎo)致的后果堪稱災(zāi)難性的。所以，對于地表塌陷事故發(fā)生的原因以及機(jī)制、誘使發(fā)生的原因以及塌陷事故發(fā)生以后的控制措施進(jìn)行明確以及掌握是整個(gè)底隧道淺埋暗挖施工過程中工程質(zhì)量保證最重要的手段以及方法。本文主要針對地表塌陷事故發(fā)生的原因以及機(jī)制、誘使發(fā)生的原因以及塌陷事故發(fā)生以后的控制措施進(jìn)行簡單的分析以及研究，希望可供同行朋友借鑒參考。

關(guān)鍵詞：淺埋暗挖隧道工程控制地表塌陷

一、地表塌陷事故發(fā)生的原因以及機(jī)制分析

（一）機(jī)制分析

因?yàn)樗淼劳诰蚬こ趟鸬牡乇戆l(fā)生的變形或者是沉降，其本身是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，在這個(gè)過程中，包括有應(yīng)力的傳遞以及變形傳遞。同時(shí)在整個(gè)傳遞的過程中還伴隨有失水固結(jié)（土體）的現(xiàn)象發(fā)生。按照相關(guān)的平衡理論，選擇在一些粘聚力較大的介質(zhì)中進(jìn)行洞室的挖掘以后，如果并沒有支護(hù)措施，那么將導(dǎo)致隧道的為圍巖部分從里面到外面都會逐漸的發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，其次，如果上面的覆地層保證足夠的厚度，那么當(dāng)隧道發(fā)生塌方并給到達(dá)一定的高度以后，圍巖將逐漸的形成一個(gè)壓力拱，并且保持自然平衡狀態(tài)，同時(shí)土體也將停止破壞，如果力學(xué)條件發(fā)生的改變達(dá)到了一定的強(qiáng)度，那么這個(gè)壓力拱將會受到破壞，這樣就導(dǎo)致了地表塌陷的事故發(fā)生。

如果我們假設(shè)壓力拱的跨度是b，其高度為hh，為了將壓力拱本身的高度計(jì)算得出，我們選擇壓力拱左邊部分的AO段進(jìn)行物理分析（即受力分析），示意圖請參考下圖2中所示。在拱的上部，存在有荷載q的作用力，并且為垂直均布，以及滲透力f（垂直作用），而針對O點(diǎn)，其承載的作用力包括有左半拱AO段受到的來自于右半拱BO段帶來的支撐力T（作用方向?yàn)樗角邢颍贏點(diǎn)受到的作用力包括有垂直反力N以及水平反力H。

圖2：力學(xué)分析示意圖（壓力拱）

此時(shí)拱的左半部分處于平衡狀態(tài)，其滿足平衡的條件為下列所示：

（1）

（2）

T=H（3）

（4）

同時(shí)又因?yàn)楣霸谄胶鉅顟B(tài)（極限）的同時(shí)，其A處拱腳處所受到的水平反力H因?yàn)槭艿酱怪狈戳的作用，而平衡，所以存在有：

H=f0N（5）

在上面的式子中，我們用f0代表土體本身的堅(jiān)固性系數(shù)（或似摩擦因數(shù)）的大小。

如果我們將（5）式代入到（3）式中，我們可以得到：

T=f0N（6）

為了使得整個(gè)拱在其水平方向可以保證有充足的穩(wěn)定性能，必須使得H>T，那么即是T=f0N，我們選取其安全系數(shù)，數(shù)值為2.所以存在：

2T=f0N（7）

如果我們將（2）式以及（7）式代入到上述（4）式中，我們可以得到：

（8）

按照相關(guān)的理論，如果對象底層為松散性質(zhì)的時(shí)候，其地下的洞室的側(cè)壁在滑動(dòng)的過程中，和垂線之間的夾角保持為，詳細(xì)請參考下圖3中所示，我們通過土壓力理論可以得到：

（9）

在上面的式子中，表示的是上覆地層存在的內(nèi)摩擦角度值。

圖3：針對壓力拱跨度進(jìn)行計(jì)算示意圖

對于壓力拱跨度以及高度的計(jì)算，我們可以將其表示成為：

B=2a+d==2h’tan（-/2+45°）+d（10）

hh={2h’tan（-/2+45°）+d}/f02（11）

在上面的式子中：隧道跨度用d表示，開挖的高度用h’進(jìn)行表示。

我們常用的普式理論并不是所有的情形都適合，假如地下洞室本身的埋深并不具有足夠的深度的話，那么并不會有壓力拱形成，該理論主要的適用范圍包括有：

2hh≤h（12）

（二）淺析塌陷原因

（1）地層原因分析

下圖4中主要針對隧道塌陷事故主要的發(fā)生未知以及地址的縱段示意圖。

圖4：隧道塌陷事故主要的發(fā)生未知以及地址的縱段示意圖

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和土體的物理力學(xué)性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)分析，在該區(qū)間范圍內(nèi)地層主要特征如下：

①位于素填土下部的淤泥質(zhì)粉土，分布廣泛，厚0 ～4.6 m，局部夾粉細(xì)砂或粗礫砂。該層土為欠固結(jié)土，中等靈敏度，工程性質(zhì)差。

②淤泥質(zhì)土層或粉質(zhì)黏土下不均勻存在粉砂、中砂、礫砂，滲透性好，地下水埋深淺，施工中地下水處理不當(dāng)，易出現(xiàn)流砂、管涌等現(xiàn)象。

③地層物理性質(zhì)試驗(yàn)及 X 射線衍射結(jié)果表明：地層含水量較大，含砂較多，多呈松散狀態(tài)。地層中普遍存在石英，地層傾向于散粒體，開挖施工排水時(shí)滲流易沖刷夾帶粉細(xì)砂粒，造成地層變形過大，對工程極為不利。

④地層結(jié)構(gòu)電鏡掃描示意圖（如圖5所示）表明：地層中粉砂顆粒組成不均勻，粒徑0.005～0.05 mm，松散，少膠結(jié)物，橫斷面有大至0.05 mm 左右的空洞，遇水滲流時(shí)，細(xì)小顆粒易被帶走充填空洞，引起地層位移；礫砂顆粒以0.06 mm 左右為主，另有更大顆粒，縱斷面結(jié)構(gòu)顯示有較大空隙，約0.3mm。

1）中砂；2）礫砂

圖5：地層結(jié)構(gòu)電鏡掃描示意圖

（二）施工原因淺析

在進(jìn)行施工的過程中，也可能因?yàn)槭┕げ划?dāng)導(dǎo)致地表發(fā)生塌陷事故，一方面可能因?yàn)樵谶M(jìn)行施工以前并沒有對地質(zhì)預(yù)報(bào)工作進(jìn)行詳細(xì)的檢查；另一方面則是因?yàn)榫唧w的施工過程中深孔注漿范圍還不夠要求。再者，因?yàn)槭┕み^程中，對于沉降的監(jiān)測并沒有全面的進(jìn)行，僅僅是針對隧道上方的地面進(jìn)行監(jiān)測，但是并沒有對深層的底層進(jìn)行檢測，導(dǎo)致對路面結(jié)構(gòu)缺乏認(rèn)知，施工中并不能完全滿足地層的要求。

二、塌陷事故發(fā)生以后的控制措施介紹

根據(jù)對松散富水地層中隧道施工引起地表塌陷的機(jī)制和原因分析可知，采取地層預(yù)加固措施并及時(shí)進(jìn)行隧道支護(hù)是避免地表塌陷的重點(diǎn)和核心。

（1）工作面無支護(hù)空間是影響地表塌陷的重要因素，因此，在施工中應(yīng)盡量減少無支護(hù)空間，并針對此空間施作預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，是避免地表塌陷的前提條件。

（2）由于土體的松軟及蠕變特性，地層中壓力拱結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)還受到時(shí)間因素的影響，因此在隧道施工中當(dāng)小范圍的塌方出現(xiàn)時(shí)應(yīng)及時(shí)處理，以促成下一級壓力拱的形成和穩(wěn)定，避免造成更大范圍的塌方和地表塌陷。

（3）在進(jìn)行實(shí)際施工的過程中，地表塌陷最為主要的原因便是施工過程中流砂涌水現(xiàn)象，所以，在進(jìn)行施工的過程中，必須對地下水進(jìn)行仔細(xì)的處理，一般情況下可以通過旋噴或者是注漿的方式進(jìn)行堵水，同時(shí)防止涌水流水導(dǎo)致的地表塌陷以及隧道塌方。

（4）鑒于地層壓力拱結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)多是由拱腳的破壞引起，因此拱腳的變形和破壞應(yīng)是隧道施工中監(jiān)測和控制的重點(diǎn)，遇有砂層，尤其是已經(jīng)發(fā)生塌方的地段應(yīng)加強(qiáng)隧道兩側(cè)和前方地層的注漿加固和支撐，同時(shí)對初期支護(hù)背后及時(shí)補(bǔ)充注漿。

（5）地表塌陷往往具有突發(fā)性，塌陷之前地表通常無明顯沉降，因此在易發(fā)生地表塌陷地段應(yīng)進(jìn)行地層深部位移監(jiān)測，并加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)測，以便對地層沉降作出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，有塌陷預(yù)兆時(shí)及時(shí)處理，從而避免地表塌陷的發(fā)生。

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