淺埋暗挖法地表沉降原因分析

【摘要】淺埋暗挖法作為城市地下工程主要的施工方法，具有對(duì)地面交通干擾小、拆遷少、施工靈活等優(yōu)點(diǎn)，但該工法可能引起較大的地表沉降。為此國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)淺埋暗挖法引起的地層沉降進(jìn)行了廣泛而長(zhǎng)期的理論研究，最后取得比較一致的意見(jiàn)：土體的固結(jié)沉降、施工引起的地層損失、隧道開(kāi)挖后地層初始應(yīng)力改變?nèi)矫媸菍?dǎo)致淺埋隧道地層變形的主要原因。

【關(guān)鍵詞】淺埋暗挖法；地表沉降；原因分析

目前，我國(guó)地鐵的修建處于高峰時(shí)期[1，2]，由于地鐵埋深較淺，修建過(guò)程中引起土層初始應(yīng)力場(chǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致的地層位移發(fā)生改變進(jìn)而波及地表，產(chǎn)生不均勻沉降，地表的沉降會(huì)對(duì)地面周邊的建筑物、構(gòu)筑物和地下管線產(chǎn)生不同程度的影響，當(dāng)沉降達(dá)到一定限值后就會(huì)產(chǎn)生損壞，極有可能引發(fā)安全事故，因此正確認(rèn)識(shí)并利用地表沉降規(guī)律，保證隧道開(kāi)挖和支護(hù)形式的合理性是很重要的。

1、土體的固結(jié)沉降

簡(jiǎn)單的說(shuō)，土的固結(jié)是指在荷載等因素作用下，土體水分排出，土體體積減小、密度及強(qiáng)度增大的現(xiàn)象。

廣義上的土體固結(jié)是指土的壓縮過(guò)程，通常意義下的固結(jié)僅指飽和土的固結(jié)，當(dāng)荷載剛施加在飽和土上時(shí)，由于土體孔隙中充滿(mǎn)了水，土體所受的附加壓力全部由孔隙水壓力承擔(dān)，隨著水分的排出，有效應(yīng)力逐步分擔(dān)附加壓力，當(dāng)土體孔隙水分完全排出后，有效應(yīng)力承擔(dān)全部附加壓力，這就是土體的固結(jié)過(guò)程。簡(jiǎn)單的講，土體固結(jié)就是附加壓力由孔隙水壓力轉(zhuǎn)移到有效應(yīng)力的過(guò)程。固結(jié)按其發(fā)生機(jī)理可以分主固結(jié)與次固結(jié)，主固結(jié)是指土體受壓，孔隙水排出，孔隙水壓力逐步轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的過(guò)程，也稱(chēng)滲透固結(jié)；次固結(jié)沉降是指主固結(jié)完成后，變形隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)導(dǎo)致的沉降。這種變形既包括剪應(yīng)變，又包括體積變化，主要取決于土骨架本身的蠕變性質(zhì)，與孔隙水排出無(wú)關(guān)。在一些軟土、淤泥等孔隙比較大的土層中，次固結(jié)沉降不僅持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)而且在整個(gè)沉降量中占有較大比重，個(gè)別可高達(dá)35%，不容忽視。

結(jié)合土的固結(jié)理論和與地下工程的特點(diǎn)，我們可以將土的固結(jié)沉降歸結(jié)為以下4個(gè)方面：（1） 地下水位的下降；（2）孔隙水溢出；（3）開(kāi)挖對(duì)土體的擾動(dòng)；（4）土體的后期固結(jié)沉降。

2、地層損失

地層損失指的是在隧道開(kāi)挖后，挖出的全部土體體積與實(shí)際隧道體積之差。地層損失的大小與隧道的施工工法密切相關(guān)。在地層損失的相關(guān)研究中，盾構(gòu)法施工造成的地層損失研究相對(duì)完善，淺埋暗挖法引發(fā)的地層損失研究相對(duì)薄弱。這將成為今后地層損失理論研究的重點(diǎn)。下面就淺埋暗挖法導(dǎo)致地層損失的原因進(jìn)行說(shuō)明。

（1）采用淺埋暗挖法開(kāi)挖隧道時(shí)，不可避免會(huì)產(chǎn)生超挖欠挖。

（2）當(dāng)城市地鐵所處地質(zhì)條件較差或開(kāi)挖面處于地下水位之下時(shí)，隧道往往會(huì)發(fā)生涌水、滲水、掉塊甚至危害性較大塌方，這些因素都會(huì)導(dǎo)致地層損失。

（3）掌子面土體移動(dòng)。開(kāi)挖掌子面時(shí)，當(dāng)支護(hù)應(yīng)力小于原始側(cè)壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力釋放，土體伴隨著應(yīng)力釋放向隧道內(nèi)部移動(dòng)，導(dǎo)致掌子面上方地層沉降。

（4）為滿(mǎn)足隧道施工進(jìn)度，原巖應(yīng)力未完全釋放就施加初期支護(hù)，我們?cè)谧鲋ёo(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)留一定的變形量，造成地層損失。

（5）襯砌在周?chē)翂毫ψ饔孟虏豢杀苊猱a(chǎn)生變形，致使地層損失。

3、地層初始應(yīng)力改變

巖體初始應(yīng)力是存在于地殼中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱(chēng)原巖應(yīng)力。城市地鐵隧道的開(kāi)挖勢(shì)必會(huì)對(duì)土體中的初始地應(yīng)力產(chǎn)生擾動(dòng)，初始應(yīng)力得到釋放；同時(shí)隧道的開(kāi)挖引起附加應(yīng)力的產(chǎn)生，地層在初始應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生彈塑性變形，地表產(chǎn)生沉降。

通常情況下，淺埋暗挖隧道開(kāi)挖后會(huì)在周?chē)貙又行纬伤蓜?dòng)圈、承載環(huán)、原始應(yīng)力區(qū)三個(gè)不同的應(yīng)力區(qū)域，隧道臨空面的增加導(dǎo)致地應(yīng)力狀態(tài)由三維變成二維，圍巖產(chǎn)生松動(dòng)，松動(dòng)圍巖產(chǎn)生的荷載作用在襯砌上，同時(shí)支護(hù)襯砌抑制圍巖松動(dòng)所產(chǎn)生的變形，兩者相互作用使地層重新達(dá)到平衡。

隧道開(kāi)挖面地應(yīng)力重分布會(huì)導(dǎo)致周?chē)貞?yīng)力的變化，進(jìn)而導(dǎo)致相鄰地層的位移變化，并延伸到地層深處，與深埋隧道相比，淺埋隧道更容易受到這種向上傳遞位移的影響，由于城市地鐵一般埋深較淺，位移容易發(fā)展到地表形成沉降槽，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不可忽略的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]王夢(mèng)恕.淺埋暗挖法設(shè)計(jì)、施工問(wèn)題新探[J].地下空間，1992，12（4）：289-294.

[2]楊立，劉衛(wèi)功.淺埋暗挖法技術(shù)及其在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用[J].市政技術(shù)，2006，24（4）：241-243+247.

基金項(xiàng)目：

湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX2015B572）；湖南工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目：（CX1714）.