城市暗挖地表下沉的探析

【摘 要】本文首先分析了地鐵隧道暗挖法施工致地表沉降的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后介紹了淺埋暗挖法地鐵施工造成地表沉降的原因，最后介紹了預(yù)防地表塌陷的施工技術(shù)措施。

【關(guān)鍵詞】暗挖；地表下沉；探析

一、前言

淺埋暗挖法具有越來越廣闊的發(fā)展前景，正是因?yàn)榇嗽蛭覀儽仨氈匾暤綔\埋暗挖法的弊端所在，隨著地鐵工程的不斷興起，對(duì)地鐵淺埋暗挖技術(shù)的要求也越來越高，在這種背景下，加強(qiáng)對(duì)其技術(shù)分析研究對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)地鐵工程的施工進(jìn)度提升具有十分重要的意義。

二、地鐵淺埋暗挖施工致地表沉降的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著地鐵隧道淺埋暗挖的施工，隧道開挖會(huì)不可避免地?cái)_動(dòng)附近地層原有的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重分布和地層變形，構(gòu)成對(duì)地表及地表建（構(gòu)）筑物的附加荷載，并使其發(fā)生變形，估算淺埋隧道開挖引起的地層應(yīng)力和變形，主要的預(yù)測(cè)方法包括經(jīng)驗(yàn)法、解析法、數(shù)值法和模型試驗(yàn)法。

1、基于經(jīng)驗(yàn)法的地鐵隧道施工地表沉降預(yù)測(cè)方法

Schmidt-Peck橫向預(yù)測(cè)地表沉降方法于1969年在墨西哥土力學(xué)及地基基礎(chǔ)工程國(guó)際會(huì)議被Peck提出，它是最早預(yù)測(cè)地表沉降的方法。該理論認(rèn)為在地下挖去一塊微小介質(zhì)后引起的地面下沉曲線為高斯分布曲線，地表沉降所形成的沉降槽的曲線形態(tài)以數(shù)學(xué)形式加以表現(xiàn)，逐步對(duì)地表沉降分布、最大沉降量等進(jìn)行理論和經(jīng)驗(yàn)上的推斷。

2、基于解析法的地鐵施工地表沉降預(yù)測(cè)方法

隨著研究的深入，許多學(xué)者將其他學(xué)科的研究成果引入到隧道地層變形研究中，將地基土作為彈性、彈塑性、粘彈塑性體考慮，孫鈞等利用粘彈塑性理論，對(duì)圓形隧道圍巖和襯砌進(jìn)行了較簡(jiǎn)單的邊界條件和初始條件的粘彈塑性分析并作出解答。

3、基于數(shù)值模擬的地鐵施工地表沉降預(yù)測(cè)方法

計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為數(shù)值分析提供了強(qiáng)有力的工具，而借助計(jì)算機(jī)可以較全面地考慮影響地表移動(dòng)及變形的眾多主要因素，較為準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)隧道施工引起的地表移動(dòng)及變形。

三、淺埋暗挖法地鐵施工造成地表沉降的原因

淺埋暗挖法隧道施工造成地面沉降的原因主要有以下幾個(gè)方面：

地下水對(duì)地表沉降的影響，根據(jù)經(jīng)典土力學(xué)的理論，天然土體一般為三相體系，由礦物顆粒組成骨架體，再由孔隙水和氣填充骨架。土顆粒的壓縮性很小，一般認(rèn)為是不可壓縮的。在土顆粒不可壓縮的前提下，我們能得知土體的變形是孔隙流體的流失及氣體體積的減小、顆粒重新排列、粒間間距縮短、骨架體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)所造成的。隨著地鐵隧道的施工會(huì)引起地下水的流失，顆粒重新排列，我們所看見的宏觀上的表現(xiàn)就是地層出現(xiàn)沉降。

地層上覆體特性對(duì)地表沉降的影響，上覆體本身所具有的力學(xué)特性對(duì)地鐵施工中地表沉降也會(huì)造成較大的影響。有一些承載能力較差的土，比如枯土、粉質(zhì)枯土及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等。這些承載能力較差的土無法形成自然拱；而有些如硬質(zhì)巖、極硬質(zhì)巖可以形成自然拱。能否形成自然拱，成拱的質(zhì)量如何，會(huì)對(duì)地表出現(xiàn)的沉降產(chǎn)生很大的影響。

地層應(yīng)力對(duì)地表沉降的影響，隧道開挖的過程也是地層內(nèi)應(yīng)力重新分布的過程。隧道開挖形成空洞，周圍會(huì)產(chǎn)生急劇的變形與應(yīng)力重新分配與調(diào)整的一個(gè)過程，應(yīng)力的重新分布改變了土體顆粒的流動(dòng)方向，從而引起隧道周圍一定范圍內(nèi)土體產(chǎn)生一定量的移動(dòng)，而這種移動(dòng)也會(huì)對(duì)地表沉降造成一定的影響。

爆破施工對(duì)地表沉降的影響，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，各段的地質(zhì)條件不同，部分施工段可以進(jìn)行機(jī)械挖掘，但有部分施工段情況不同，這些施工段需要爆破松動(dòng)。在這些施工段的爆破過程中，震動(dòng)波向四周圍的傳遞會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生一種擠密的作用。經(jīng)過多次的爆破擾動(dòng)，會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生不同程度的影響，多表現(xiàn)為導(dǎo)致隧道周圍土體的壓密，最終引起地面沉降。

施工工藝以及操作對(duì)地表沉降的影響。

（1）開挖進(jìn)尺的大小會(huì)對(duì)地表下沉、拱頂沉降以及開挖面的穩(wěn)定性造成一定的影響，開挖進(jìn)尺的大小實(shí)質(zhì)上是工作面無支護(hù)空間的大小，其值不僅決定著地表下沉及拱頂沉降，而且也影響開挖面的穩(wěn)定性，二者相互作用并以工作面的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)。

（2）圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，開挖中產(chǎn)生的小坍塌致使鋼筋網(wǎng)與圍巖不密貼，噴漿不密實(shí)，初期支護(hù)與圍巖間存在空隙，再加上拱背注漿的不及時(shí)造成注漿充填滯后于土體的壓密，起不到應(yīng)有的充填作用。

（3）地鐵施工建設(shè)中，一次襯砌結(jié)束后，二次襯砌沒有及時(shí)的去做，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形等，會(huì)對(duì)地表沉降造成一定的影響。

四、預(yù)防地表塌陷施工技術(shù)措施

1、地表水的截排

隧道淺埋段地表地勢(shì)較低，為匯水面，且圍巖破碎，地表水滲透嚴(yán)重。在施工前，把地面裂縫填夯。做成向外的排水坡，并開挖溝渠，將地表水排出影響隧道施工范圍之外，防止地表水滲入，避免因滲水軟化隧道圍巖。

2、超前支護(hù)

全隧淺埋暗挖段均采用雙層超前小導(dǎo)管注漿后開挖，水泥漿液在隧道淺埋中小導(dǎo)管注漿下能發(fā)揮很好的作用，隧道內(nèi)土體在高壓力漿液的作用下，在土體壓裂區(qū)中，經(jīng)過多次擠壓提高效率相互滲透，形成漿脈網(wǎng)絡(luò)。漿脈填充和擠密脫水固結(jié)為硬塑狀黏土，起著土體骨架作用從而改變土體對(duì)外力的反應(yīng)機(jī)制，使土體的變形受到約束，使圍巖的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗?jié)B性均得到提高。

3、用格柵鋼架支撐、預(yù)留核心土掏槽開挖

隧道開挖時(shí)，可采用短臺(tái)階法開挖，超前支護(hù)完成后，用小型挖掘機(jī)沿上臺(tái)階開挖輪廓線預(yù)留核心土進(jìn)行掏槽開挖，嚴(yán)格控制臺(tái)階高度，再用風(fēng)鎬或人工對(duì)欠挖部分進(jìn)行開挖修整，修整完后立即進(jìn)行噴砼封閉，嚴(yán)格注意初噴砼厚度標(biāo)準(zhǔn)。在已做好的掏槽內(nèi)架設(shè)格柵鋼架支撐，做好格柵間距，格柵間用角鋼（槽鋼）及螺栓連接成整體，將小導(dǎo)管尾部與格柵焊接成整體，在格柵鋼架拱腳部位每處增設(shè)鎖腳錨桿，最后復(fù)噴砼。

4、下臺(tái)階開挖

開挖到一定位置后，可以進(jìn)行下臺(tái)階開挖。開挖時(shí)采用了先拉中槽，兩側(cè)跳槽馬口開挖的施工方法。中槽開挖時(shí)要保證兩側(cè)各預(yù)留一定空間的平臺(tái)，以防掉拱。馬口開挖后及時(shí)噴砼初期支護(hù)、架接格柵鋼架，用梅花型布設(shè)系統(tǒng)錨桿，掛網(wǎng)噴砼支護(hù)，隧道穿民房段地層加固在穿越房屋的隧道地表，采用水泥與水玻璃雙液漿注漿，有效使原來松散圍巖膠結(jié)成一個(gè)整體從而改善隧道成拱穩(wěn)定條件，減少地表沉降，確保地面房屋安全及隧道的順利掘進(jìn)。注漿時(shí)，先垂直鉆井注漿孔，然后在鉆孔內(nèi)放入注漿管，注漿管下部設(shè)置成花管，通過注漿管向圍巖注漿。如遇房屋等障礙物時(shí)，采用鉆斜孔注漿。

5、仰拱及襯砌施工

要及時(shí)進(jìn)行仰拱及襯砌混凝土澆筑。仰拱及仰拱填充超前襯砌施工，仰拱施工地段運(yùn)輸通道采用棧橋通過，注意仰拱每次灌注量。一次性灌注完成時(shí)，要注意仰拱距開挖面范圍。二次襯砌距開挖面范圍不同，盡早使襯砌閉合成環(huán).整體受力，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性從確保施工安全。

6、監(jiān)控量測(cè)

及時(shí)做好監(jiān)控量測(cè)，并迅速反饋信息。通過地表環(huán)境、圍巖地層，掌握地質(zhì)、施工監(jiān)測(cè)，支護(hù)結(jié)構(gòu)等變化情況，以信息反饋優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工及時(shí)采取有效措施處理存在的隱患，以保證施工安全。

淺埋暗挖城市隧道工程中，都會(huì)不可避免地導(dǎo)致地面沉降及地層位移，再加上周邊建筑物及地下管道眾多，往往對(duì)隧道施工有著嚴(yán)格的限制要求，因此，對(duì)地面沉降規(guī)律進(jìn)行研究及預(yù)測(cè)顯得十分重要。城市隧道埋深較淺，國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)其研究較多，但采用淺埋暗挖法開挖的相對(duì)較少，因此利用這種方法在隧道施工作業(yè)中，要嚴(yán)格遵守技術(shù)指標(biāo)和要求來實(shí)施，從而有效防止地表塌陷，保證人民和施工人員的安全。

五、結(jié)束語

地表沉降的控制要落到實(shí)處不容易，由于地表沉降是多因素共同作用的結(jié)果，具體的地鐵建設(shè)工程中，我們必須要弄明白是什么因素在起作用，起到多大作用。在隧道施工作業(yè)中，要嚴(yán)格遵守技術(shù)指標(biāo)和要求來實(shí)施，從而有效防止地表塌陷，保證人民和施工人員的安全。

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