城市隧道施工引起的地層變形規(guī)律

李挺

摘要：大規(guī)模的城市軌道交通主要在北上廣等一線城市開始建設(shè)，大規(guī)模的地鐵施工必然給沿途的百姓和環(huán)境帶來危害出現(xiàn)地層變形，這樣會導(dǎo)致地表建筑物的差異沉降、開裂以及地下管線的破裂等。如果施工不當(dāng)，可能會出現(xiàn)工程事故甚至人員傷亡。所以，在地層缺陷影響下城市隧道施工引起的地層變形規(guī)律及控制方法的研究成為了當(dāng)前城市軌道交通建設(shè)中一個必要研究課題。

關(guān)鍵詞：城市隧道施工;地層變形規(guī)律;控制方法

前 ?言

隨著城市化建設(shè)的加快和進城務(wù)工人員的急劇增加，城市交通面臨很大的壓力，交通問題成為制約城市經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，更是一個影響社會正常秩序的社會問題。以地鐵建設(shè)為代表的交通建設(shè)在解決交通堵塞、方便居民出行、加快城市建設(shè)方面采取了有效措施。但是地鐵在解決問題的同時，在建設(shè)和運營過程中會經(jīng)常出現(xiàn)事故，經(jīng)國內(nèi)外對地鐵的研究表明，地鐵在建設(shè)和運營過程中會對沿線地層造成擾動，從而引起地層移動出現(xiàn)各種事故。在城市地鐵沿線建筑物較多，埋深比較淺的位置更容易發(fā)生事故。

一、地層缺陷及其影響分析

在我國城市經(jīng)濟迅猛發(fā)展和城市建設(shè)步伐加快的21世紀，各大中城市為了解決本城市的交通擁堵現(xiàn)象，紛紛大規(guī)模建設(shè)地鐵，地鐵項目受到諸多因素的影響，不僅涉及面廣其難度也是巨大的。在進行隧道施工時會經(jīng)常出現(xiàn)負面影響，安全事故頻繁發(fā)生，通過專家的分析研究發(fā)現(xiàn)這些事故發(fā)生的原因大致可分為：不良地層、管線斷裂、地層中不良地質(zhì)體和施工管理等方面的問題。在城市隧道施工過程中管線斷裂和地層中不良地質(zhì)體的占比是最大的。俄日兩國解決了由于底層缺陷修筑隧道帶來的不良影響，不僅需要研究人員對城市隧道施工引起的地層變形規(guī)律進行分析，還需要提高施工管理水平，對地層變形適當(dāng)控制。

在城市隧道建設(shè)過程中出現(xiàn)的地層缺陷主要可以劃分為兩大類，一是有些建筑物在現(xiàn)有環(huán)境下可以安全存在，但是由于受到施工作業(yè)的影響，原本在地下缺乏一定承受能力的建筑物，在周邊進行施工后承受能力更弱，最后導(dǎo)致地層塌落。二是受到自然條件的影響，使隧道施工沿線的地質(zhì)體變得柔弱不堪，出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象等缺陷。比如有些土質(zhì)體熔巖洞、土洞等土質(zhì)輸送，本身自穩(wěn)能力比較弱，在加之常年雨水天氣的沖刷，使其變成空洞，這是由于自然原因造成的。人們生產(chǎn)生活及工程施工后的維護也是非常重要的，比如很多地方由于水資源缺乏就對地下水無節(jié)制的開采，最后導(dǎo)致地層固結(jié)而出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，在工程施工過程中雨水風(fēng)沙又將沙土帶走，必然也會形成空洞。

二、城市隧道施工引起的地層變形規(guī)律

在實際隧道施工過程中，隧道的相對位置、尺寸等方面與空洞對隧道施工的影響方面有很多的不同之處，這兩個在對周圍巖石穩(wěn)定性的影響上有有比較顯著的效果。地層變形規(guī)律改變和破壞的影響及對施工沿線的不利位置變化都需要進行分析和研究。

根據(jù)城市地鐵建設(shè)施工對空洞的分布、尺寸等因素產(chǎn)生的影響進行分析，來找出地層變形的規(guī)律。在國內(nèi)外隧道工程領(lǐng)域，目前研究采用比較普遍的就是數(shù)值計算理論，它包括連接介質(zhì)微分法、連續(xù)介質(zhì)微分法、不聯(lián)系介質(zhì)微分法三種方法，一直以來在這三種研究中比較成熟的是連續(xù)介質(zhì)微分法，因為這種方法不管是在時間上還是在空間上都可以進行細分。隧道在施工過程中進行的開挖使空洞福建的巖石土壤受到了干擾，導(dǎo)致在施工過程中盈利的釋放率隨之增加，在隧道周圍出現(xiàn)一定范圍的屈服接近區(qū)，并且向圍巖深處滲透，加快了土質(zhì)薄弱地區(qū)的空洞速度，使得隧道的破壞模式發(fā)生了變化。

三、地層變形對建筑物結(jié)構(gòu)破壞的主要模式

從范圍和程度上來講，建筑物受到的損害分為直接損害和間接損害，分別是針對位于隧道施工主要影響范圍以內(nèi)和以外的情況。從能量角度看，隧道開挖引起地基支承損失、基底反力產(chǎn)生畸變，隨后上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力重分配，首先在薄弱環(huán)節(jié)形成能量聚積、應(yīng)力集中，最終發(fā)生破壞（如墻體開裂、擠壓破碎或扭曲），這個破壞結(jié)果就是一個能量釋放的過程，像這樣反復(fù)的能量聚積、耗散中地層與建筑物始終在尋求平衡，其長期發(fā)展的后果便是結(jié)構(gòu)破壞加劇導(dǎo)致安全性受到較大影響甚至喪失。

通過對大量工程實例的歸納分析，建筑物變位破壞模式主要表現(xiàn)為整體沉降（均勻和不均勻）、傾斜和結(jié)構(gòu)開裂等，其中不均勻沉降和結(jié)構(gòu)開裂的發(fā)生機理更為復(fù)雜，是地層多種變形綜合作用的結(jié)果，而過量的地層不均勻沉降是主要原因。

1.建筑物整體沉降

隧道開挖形成的地表沉降槽在中心處沉降最大、兩邊逐漸變小，所以地面上建筑物不管處在沉降槽什么位置都將不可避免的受到不均勻沉降的影響。但是在地表沉降槽兩側(cè)反彎點之間，特別是位于沉降槽底部的整體性較好的建筑物，隨著隧道的開挖地層的傾斜、曲率等一些不均勻沉降特性在架構(gòu)上的表現(xiàn)并不明顯，整體上看建筑物的變形比較一致，開裂破壞現(xiàn)象相對來說比較少，主要表現(xiàn)就是近似整體均勻沉降。就目前而言最為普遍的一種看法是整體沉降不會造成建筑物的破壞，對于它的穩(wěn)定性和使用條件也不會出現(xiàn)太大的影響，但是實際上整體沉降過大對建筑物及隧道結(jié)構(gòu)安全的破壞性影響是不可忽視的。

2.建筑物傾斜

同均勻沉降相比，建筑物對不均勻沉降的敏感程度更強烈，經(jīng)常發(fā)生傾斜或開裂破壞。通過沿縱墻方向基礎(chǔ)兩端的差異沉降體現(xiàn)出來的就是建筑物傾斜，建筑物整體剛度越大，它開裂程度相對來說就越輕，當(dāng)剛度達到一定程度時就只用考慮整體傾斜的情況，對于長高比較小的高聳建筑物，更可能因所受附加力矩過大而出現(xiàn)傾倒趨勢。

3.建筑物結(jié)構(gòu)開裂

由結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位對應(yīng)的不均勻沉降、地表曲率和水平變形使墻體中產(chǎn)生過大的附加拉剪應(yīng)力造成的建筑物結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展是結(jié)構(gòu)破壞的先兆和直觀表現(xiàn)。在隧道來挖時建筑物的開裂破壞通常是無法避免的，體型越大、結(jié)構(gòu)剛度越小的建筑物越容易產(chǎn)生開裂損害現(xiàn)象，尤其在磚石承載墻體或用磚石填充的框架墻體中較為多見。

四、地層變形的控制應(yīng)用

隧道工程來挖引起的地層變形首先是以空洞為中心逐漸向隧道沿線延伸的，同隧道的塑性區(qū)是相連的。在施工和控制過程中要以缺陷為核心，在施工之前進行超前探測，然后對空洞內(nèi)缺陷進行處理，以此來緩解隧道漸近線破壞的進程。

1.超前探測

超前探測分為直接和間接兩種，直接超前探測就是地質(zhì)法和鉆探法，而間接地勢通過地面電測探、地面淺層地震法等物理技術(shù)進行探測。目前普遍運用的是間接探測法。在隧道施工中進行超前探測，如果采用地震反射法成本會很高，對周圍環(huán)境影響大，一般很少用。紅外探水技術(shù)雖然能夠掌握圍巖的含水量但是不能探測到確切的距離，且對環(huán)境要求高，也不常用。地質(zhì)雷達法成本相對較低，探測精度較高，對周圍環(huán)境影響較小，所以一般運用較多，對于特殊地質(zhì)還可以針對性的采取適當(dāng)方法，來減少缺陷處理。

2.缺陷處理

對缺陷進行處理的方法一般就是填充和隔離、對周邊的土體進行加固。一般在缺陷處理過程中采用的輔助手段是注漿，具體施工過程包括填充、壓密、滲透等，注漿的方法比較多，按照施工的過程可以分為填充注漿、壓密注漿、滲透注漿等，在不同的環(huán)節(jié)可以采用不同的注漿方法。

五、結(jié)束語

綜上所述，雖然城市隧道施工過程中會出現(xiàn)很多缺陷問題，但是只要在施工之前做好探測，并根據(jù)探測的情況分析出地質(zhì)的具體情況，及時處理和控制缺陷，對地層沉降及破壞進行及時有效的遏制，可以在很大程度上控制和降低風(fēng)險事故的發(fā)生，保證隧道施工的安全順利進行。