城市隧道施工誘發的地面塌陷災變機制及其控制

崔麗強

摘要： 文章對當前城市隧道施工作業塌陷災變的現狀以及危害進行了分析，然后對引起地面塌陷災變的機制進行了深入探究，并在此基礎上提出了相應的改善措施，旨在提高國內隧道施工活動的安全性與有序性，促進交通運輸建設事業的發展。

Abstract： In this paper， the present situation and harm of collapse in urban tunnel construction are analyzed， then the mechanism of ground collapse is deeply explored， and the corresponding improvement measures are put forward. The purpose of this paper is to improve the safety and order of domestic tunnel construction activities and to promote the development of transportation construction.

關鍵詞： 城市隧道施工;地而塌陷;安全事故;災變機制;統計分析

Key words： urban tunnel construction;land collapse;safety accidents;catastrophe mechanism;statistical analysis

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）13-0124-03

0 引言

我國地形復雜，道路交通建設中會遇到很多隧道施工作業。隧道施工活動是在山體下進行的，因此隨時存在安全危險。同時，隧道施工作業進行的過程中還會引起山體崩塌、滑坡等地質災害。這種誘發性災害事故不但會造成巨大的經濟損失，對施工人員與當地群眾的生命安全也是極大的威脅。為了確保隧道施工的安全性與有序性，必須認真分析隧道施工中地面塌陷災變的機制，掌握事故發生的規律，有針對性地提出控制措施，減少城市隧道施工過程中地面塌陷事故發生的幾率。

1 隧道施工誘發的地面塌陷災變機制問題

1.1 隧道施工誘發的地面塌陷災變現狀

從有關一些新聞報道與業界信息可以看到，隨著隧道施工項目的逐漸增多，隧道施工作業中出現了各種程度的地表塌陷問題和事故。在城市道路建設中有很多路段需要開挖隧道，多數隧道工程所處地地理環境復雜，水文地質條件險惡，在施工過程中稍有不甚就會出現塌陷等災害事故。例如首都北京地鐵網的建設引起的京廣橋地帶地面的塌陷事故，蘇州城市道路建設引起的局部街道塌陷問題等等接二連三的地面塌陷災變事故都有相關的新聞報道。[1]由此可以看出城市交通建設事業的發展伴隨著很多危險事故的發生。

1.2 隧道施工誘發的地面塌陷災變危害

城市交通建設中，因為隧道施工作業引起的地面塌陷事故對城市經濟發展與城市居民的人身安全具有極大的威脅。首先，隧道施工的過程中如果出現地面塌陷問題，不但影響工程整體進度而且會造成城市交通擁堵，影響市民正常生活;其次，隧道施工引起的地面塌陷會優化周圍建筑物的倒塌，帶來次生災害危害將不可預估，勢必會造成一系列交通事故與人員傷亡事故的發生。[2]所以，城市隧道施工優化的地面塌陷事故危險系數極高，為此我們必須要保持高度警惕。

2 城市隧道施工地面塌陷機制分析

在城市隧道施工過程中出現的地面塌陷事故，雖然誘因復雜，但是也是有規律可循的。從有關的數據統計分析中，地面塌陷事故的形成過程主要有以下幾種類型：①由于施工活動引起上表底層穩定性遭到破壞出現地面塌陷;②由于隧道施工作業，原有的不良地質層受到破壞，引起的地面塌陷問題;③由于施工操作不當引發管道滲漏問題惡化，進而導致地面塌陷出現。前兩種屬于施工作業直接引起的事故，后兩種屬于施工活動中的次發事故[3]不管是哪一種方式都有一定的演變機制與規律可循。

2.1 隧道施工直接導致的地面塌陷

根據普氏理論的觀點，隧道施工活動所處地巖層為有一定固結力的松散巖體，在開挖過程中，如果沒有采取任何支護措施那么隧道巖體穩定性將會發生由內而外的破損。當上覆巖層有一定的厚度的時候，隧道塌方到某個程度，巖體便會形成一個相對平衡的壓力拱[4]，圍巖結構的破損會有一個暫停將不再繼續發生破損。普氏理論的適用性也有一定的限制。當地下洞室的深度不大的時候，通常不會初選壓力拱形式，理論的適用標準為：

公式中：h 代表隧道拱頂上巖體的厚度值;h*代表著理論中壓力拱的高程;a是有效高度值，通常情況下范圍 2～2.5之間。根據普氏壓力拱的有關理論依據，能夠更好地對隧道施工作業中誘發地面塌陷事故的機制進行探究。在隧道施工中，尤其是在大斷面隧道開挖的施工活動中，施工作業要分成好幾段來進行，這也是一個小斷面演變到大斷面的過程。在沒有任何支護措施的情況下，小斷面的開挖，巖體壓力拱的高度與表層巖體的厚度之間的關系要符合上述公式的標準。所以，隧道圍巖中能夠產生相對比較穩固平衡的壓力拱，如圖1（a）～（c）所示的內容，在隧道施工中出現了小斷面到大斷面的變化。圖中1h*是穩固型壓力拱 1 的高度;而2h*是穩固型壓力拱 2 的高度;h是臨界型壓力拱的高度。

在隧道作業持續前進的同時，巖體斷面也在不斷擴大，同時巖體形成的壓力拱的高度也在逐漸升高，由此可以總結出：巖體出現的壓力拱的高度與隧道開挖的進程保持同樣的趨勢。整個過程處于一種→破壞→形成的循環的動態關系中，同時后一級壓力拱的高度和跨度要都要超過前一個拱。

在這里假設隧道上覆巖體的厚度和受力參數值不會隨施工進程發生改變，從上述公式中可以看出，隧道圍巖巖體中將會出現一個臨界型的平衡壓力拱。這個壓力拱發生破損之后，就不會有另一個壓力拱的出現。如果不在第一時間采取支護或者加固措施，那么圍巖頂層就會出現松散、冒落失穩的問題，最終誘發嚴重的地面塌陷問題。隨著隧道塌方的出現，隧道斷面也處在一個由大到小不斷擴張的過程中。這些都是普氏理論所表現的。

2.2 不良地質對隧道施工作業的影響

隧道施工作用中遇到的不良地質環境是指底層中出現的空洞。為了避開這類不良地質條件，項目工程在設計之初就應該做好全面勘察工作。在具體的施工活動中，要對隧道作業會給空洞帶來的破損等級進行評估，并根據評估結果確定有效的防止塌陷問題出現的技術措施。根據實際情況，因為隧道中的空洞出現的地面塌陷事故，其本質是在空洞受損后，隧道圍巖各個巖體之間的力學平衡被打破了。通常情況下空洞受到的破損主要是由隧道施工作業不當引起的。例如，隧道開挖作業中，儀器設備的運行會產生震動，周圍巖體容易受到劇烈震動的影響，空洞上方的巖體結構就會發生松散、脫落，巖體的厚度就會越來越小。隨著巖體的變薄，圍巖壓力拱就會喪失負載力，影響了空洞結構的穩定性，地面塌陷事故由此而發。

圖2是某市地鐵隧道施工作業中遇到的巖層空洞圖，假設當時沒有執行隧道開挖施工，該底層空洞就不會受到施工活動的干擾而發生災變，而是會一直處于穩定的底層之中。但是相鄰隧道的開挖，肯定會對該底層空洞產生作用力，所以原有的地層結構中不穩定的巖體就會發生松散、脫落，并導致鄰近空洞巖體出現同樣的問題，甚至引發空洞斷面不斷擴大，最終兩只空洞被迫打通。按照上文中普氏壓力拱理論的內容，在空洞斷面達到某一臨界點的時候，空洞上覆巖層的拱結構會受到破損而無法形成新的平衡拱，地面塌陷災變事故由此發生。

2.3 管道滲漏引起的地面塌陷事故

國內大中小城市的地下管線錯綜復雜，而且存在著的排泄管道設計不合理，滲漏嚴重的問題。從已經發生的眾多道路施工項目的塌陷案例中可以看到，管道滲漏很容易引起那些已被擾動的圍巖結構中出現流砂物質，而且會在管道周圍結構中產生水囊或空洞結構。在隧道附近的管道施工作業中，施工作業產生的受力會使得管道滲漏問題更加嚴重，還有可能會引起管道的徹底斷裂和嚴重破損，產生的地下涌水夾帶地層顆粒會掏空巖層，從而優化底層結構的破壞，造成大面積塌陷事故的發生。

3 城市隧道施工地面塌陷控制

從上文論述可以看到，在城市隧道施工作業中，引起地面塌陷事故的因素十分復雜。但是任何一個復雜的現象都是有規律可循的，從它的形成規律中我們可以總結分析出具體的應對策略。對隧道施工作業中的地面塌陷災變的預防是一個具有系統性的工程。從相關的統計報道可以看到，引發地面塌陷事故的主要原因是不良地質環境和地下管道滲漏，在這里論文將以A市地鐵工程為研究對象，對該工程中地面塌陷控制措施進行探究。

3.1 不良地質體應對措施

在城市隧道施工作業中遇到不良地質環境要采取綜合性控制措施，主要有以下兩個技術方法：第一，加強施工前期的地質情況勘測力度;第二，明確不良地質環境的特點，有針對性地選擇加固、改善措施。以A市地鐵工程的開展為例，施工單位首先進行了不良地質體的檢測，在此之后對工程項目所經之地巖土松散、含水量過大和土層中的空洞區進行特殊加固：

①在巖層比較松散的的路段，底層屬于回填及雜填層的為多數，由于具有埋深淺顯的特點。所以在打孔埋設注漿管的時候可以使用注漿加固的技術手段。

②含水量較大的路段，水量主要來源于上層積水以及地下管道的滲漏。而且，含水量較大的路段大多是滲漏管道居多數的區域。在隧道開挖之時要對區域內水源的補給進行準確的定位，判斷周圍管道對工程施工的限制。如果在施工作業中遇到雨、污水排泄管道出現泄露的問題，應在第一時間內對管道進行清理和防滲泄控制;如果是自來水管線，就應該立即采取措施將破損的地方修補好。完成管道修補防泄工作之后，還要向下打孔，一直達到砂層巖體，鋪好注漿管道把蓄積的水量引導該層，排干淺層積水。[5]經過排水處理之后的巖層，地質仍然濕軟，所以必須要進行穩固性處理。

③地層空洞的產生，主要過程是地下巖層結構回填不結實、地下管道滲漏過于嚴重，相鄰巖體被過度沖刷而形成。對存在空洞的巖層，可以通過水泥注漿的方式完成填充并起到加固穩定的作用。為避免空洞巖層相鄰圍巖的漿液量過度擴散，對空洞區域外邊緣部分注漿導管內壓注水泥-水玻璃雙液漿，以達到控制注漿量與注漿時間的作用。[6]

3.2 地下管道安全控制措施

3.2.1 對隧道施工場區的管道分布狀況進行全面把握

為了更好地控制地下管道的安全性，首先要在隧道施工之前對整個廠區的管道鋪設與使用狀況進行全面的分析。因為地下管道所屬單位機構以及鋪設錯綜復雜，所以經常會有一些管道被長期忽略不管，所以施工單位無法對其運行狀況有全面的了解。面對這一難題，在條件允許的情況下要對施工場區地下管線進行探查。主要有以下幾個措施：明顯管線點實地調查、隱藏管線點物探查和開挖調查，具體使用哪一種方法根據隧道開發工程的需求來定。

3.2.2 采取合理的管線修護及加固措施

根據管線探查的情況，綜合分析施工地區水文地質環境、施工技術手段，管道的綜合性能、使用壽命、材料規格、連接模式等因素，以地下管道受力和變形程度為底線，對地下管道的受力能力進行評估，然后進行管道變形受損控制方案的編訂，以保證隧道施工作業的全程中，地下管道的正常運行不會受到任何影響。對于存在嚴重的泄露或者積水的管道線路，必須要在第一時間采取措施。對于沒有達到安全標準的管線，在施工中要做好支護加固工作，增強管道抗變形，抗破損的性能。對于會給隧道施工帶來危險的管道，在施工作業開始之前通過注漿的技術手段進行加固（見圖3）。

3.2.3 采取綜合性管道線路監控法

對地下管道線路的監控主要有兩種方法。第一種是直接測點，則是通過安裝一些儀器設備對管線的沉降幅度進行測量，儀器設備的安裝必須要將管道上覆蓋的圖層挖開，所以操作起來比較麻煩，而且會引發安全事故。通常情況下，對一些特別關鍵的管道進行動態監控的時候才會采取這種方式。一般僅在特別重要的管線監測時采用。所以，一般情況下，直接檢測點的設置實際上可實施性并不大。為了將地下管道沉降狀況真實地反應出來，只能選擇綜合性的管線監測（如技術圖4）。該種方法首先要確定待監管的管道線路，在同一點位上同時布設直接監測點和間接監測點（地表沉降點），結合相關理論與實際檢測到的信息數據進行分析，獲得同一點位直接監測點和間接監測點之間的關系，作為判斷管道真實沉降幅度的依據。

4 結語

綜上所述，由于大部分隧道施工作業耗時長，施工技術要求高，施工難度大，危險系數高，此外隧道施工活動還有可能優化山體滑坡、山體塌方等災害事故。這類次發性災害會引起不可估量的經濟損失與人員傷亡，違背施工經濟性原則與社會主義建設事業的發展。所以業界工程項目設計人員與施工人員必須總結分析事故發生的規律，尋找施工中存在的問題，探究地面塌陷災變機制，采取有效措施控制事故發生的幾率。

參考文獻：

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[3]王石光.隧道施工誘發的地面塌陷災變機制及其控制[J].科技展望，2016，26（05）：30.

[4]吳貴毅.隧道施工中地面塌陷的原因及其控制[J].城市建筑，2013（10）：269.

[5]王國斌.滬蓉西高速公路烏池壩巖溶隧道涌水成災機理研究[D].中國地質大學，2012.

[6]蘇小敏，蘭天仕.打括隧道淺埋暗挖及穿越民房段預防地表塌陷施工技術[J].企業科技與發展，2012（02）：32-35.

[7]張成平，張頂立，王夢恕.淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制[J].巖石力學與工程學報，2007（S2）：3601-3608.