暗挖隧道施工引起的地表塌陷與有效控制研究

曾 照

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

暗挖隧道施工引起的地表塌陷與有效控制研究

曾 照

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

通過分析淺埋暗挖隧道施工中引起地表塌陷的原因，從縮小無支護(hù)空間、地下水處理、軟弱松散地層加固等方面，闡述了淺埋暗挖隧道施工的注意事項(xiàng)，并提出了地表塌陷的控制措施，從而保證淺埋暗挖隧道施工的順利推進(jìn)。

隧道，淺埋暗挖法，地表塌陷，注漿加固

0 引言

淺埋暗挖法是一種在近地表的地下進(jìn)行洞室暗挖的施工方法，其在城市地下工程中的應(yīng)用十分廣泛。鑒于淺埋暗挖隧道施工容易出現(xiàn)地表塌陷現(xiàn)象，本案引入如下案例，淺析如何控制這一類地表塌陷問題：某隧道采用的是雙線單洞重疊形式，其中斷面高13 m、寬6.8 m。表1為該工程的支護(hù)方案。

表1 支護(hù)方案

該工程的隧洞穿過中風(fēng)化層、全風(fēng)化層和粉質(zhì)粘土層，其中1.5 m以上的拱部為砂層，圍巖的透水性強(qiáng)，地下水位的埋深為1.20 m～3.00 m及變幅為1.00 m～1.50 m。從開挖初期至挖深20 m期間，共發(fā)生2起地表塌陷事故。其中，第一次地表塌陷發(fā)生在SK1+419.7～SK1+429.7處，塌陷范圍長×寬×深=7.3 m×4.5 m×2.0 m；第二次地表塌陷發(fā)生在SK1+431.9～SK1+441.9處，塌陷范圍長×寬×深=8.0 m×7.5 m×2.1 m，主要呈

漏斗狀。結(jié)合這一案例，下文首先分析地表塌陷的成因，然后再進(jìn)一步提出控制措施。

1 地表塌陷的成因

淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷是一個(gè)尤其復(fù)雜的過程，主要涉及土體的失水固結(jié)、應(yīng)力與變形的傳遞等。據(jù)此，筆者試圖從如下方面來分析該工程中的地表塌陷問題。

1.1 地層條件

圖1為該工程的地表塌陷示意圖。

根據(jù)地勘報(bào)告與土性試驗(yàn)結(jié)果可知，發(fā)生地表塌陷事故的工段具有含水量大、地層松散及空洞分布等特點(diǎn)，其中上覆地層的砂層厚6.2 m～7.8 m及其上的流動狀淤泥質(zhì)粉土厚2 m～4 m、其下的軟塑粉質(zhì)粘土遇水易軟化，尤其是在SK1+419.7～SK1+500.0段，粘土層僅厚0 m～2 m。如此在隧道開挖中，便會有大量涌水進(jìn)入工作面，這將使洞身圍巖失穩(wěn)，從而造成地表塌陷，其中動水壓力是重要誘因。在上述地層條件下，上覆地層在開挖高度不大于2.22 m時(shí)會形成穩(wěn)定性差的壓力拱，其易在突然誘因的影響下失穩(wěn)破壞，而在開挖高度大于2.22 m時(shí)，若不及時(shí)加固上一級受損的壓力拱，將會出現(xiàn)下一級壓力拱，其易在施工擾動下改變地下水滲流的方向，從而形成用水流砂。此時(shí)，上覆地層將處在臨空狀態(tài)下，從而引起地面塌陷。

1.2 施工情況

該工程的兩起地表塌陷均直接與現(xiàn)場施工情況有關(guān)，其中具體表現(xiàn)在以下方面：1)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)不到位，致使無法準(zhǔn)確預(yù)測可能出現(xiàn)的情況；2)洞內(nèi)深孔注漿的加固范圍偏窄，外加洞內(nèi)注漿所設(shè)注漿孔的間距偏大，致使?jié){液無法在擴(kuò)散后形成止水環(huán)，同時(shí)受限于地質(zhì)條件，超前小導(dǎo)管注漿根本未起到預(yù)期的效果，這將在局部工作面引發(fā)管涌淘蝕現(xiàn)象，甚至發(fā)展為涌水流砂，此時(shí)在動水壓力的影響下，便會破壞壓力拱的結(jié)構(gòu)及影響下級壓力拱的行程，從而引起地表塌陷；3)未監(jiān)測深部地層的沉降，以至于無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)路面因此發(fā)生的相對穩(wěn)定或較小變形，這將不利于對地表塌陷事故的有效控制。

2 地表塌陷的控制

結(jié)合地表塌陷的成因，可通過預(yù)加固地層及及時(shí)支護(hù)隧道來防止地表塌陷事故的發(fā)生，其中應(yīng)注意如下事項(xiàng)：1)在淺埋暗挖隧道施工中，盡可能縮小無支護(hù)空間，并將預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)引入其中，這是地表塌陷事故得以規(guī)避的前提；2)及時(shí)處理范圍較小的塌方事故，以促成和穩(wěn)定下一級壓力拱，這將可規(guī)避范圍較大的地表塌陷事故；3)妥善處理地下水，建議采用旋噴或注漿等方法來堵水，以免因涌水流砂而引起地表塌陷；4)有效加固軟弱松散的地層，尤其是含水砂層或分布有不良地質(zhì)體的地層，更應(yīng)通過加固處理來促成和穩(wěn)定其壓力拱；5)在整個(gè)施工中，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控拱腳的變形或破壞，因其是地層壓力拱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因，其中若遇砂層或其處在塌方地段，建議注漿加固隧道兩側(cè)及前方地層，并及時(shí)對初期支護(hù)的背側(cè)進(jìn)行補(bǔ)充注漿；6)密切監(jiān)測地表塌陷高發(fā)地段地層的深部位移，并進(jìn)行洞內(nèi)監(jiān)測，以保證地層沉降預(yù)報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，注意及時(shí)處理先兆性的塌陷點(diǎn)。

綜上，在該隧道工程中，建議運(yùn)用如下技術(shù)措施來控制淺埋暗挖施工引起的地表塌陷事故：1)根據(jù)掌子面前方地層的探測結(jié)果，決定采取地表垂直旋噴法來加固SK1+445～SK1+473段的地層，并采用全斷面注漿等技術(shù)措施來封堵SK1+473～SK1+600段臺階一處的地下水及加固該段地層。2)將隧道的超前支護(hù)換成2.0 m和4.5 m的φ42 mm注漿小導(dǎo)管，其中前者每榀皆打，后者每3榀～4榀打1次，并采用長短混用的方法來超前預(yù)加固地層。3)將初期支護(hù)格柵的間距改成500 mm，以減小工作面的無支護(hù)空間及縮小開挖步距，同時(shí)縮短每一循環(huán)的時(shí)長及增大初期支護(hù)的剛度與強(qiáng)度。4)將長3.5 m的φ42 mm鎖腳注漿錨管設(shè)在每一榀鋼架的拱腳處，其中在臺階一的每一層設(shè)2根及在臺階二、三的每一側(cè)設(shè)1根，同時(shí)通過注入水泥—水玻璃漿液來加固拱腳。5)在整個(gè)工程施工中，密切監(jiān)測地表和洞內(nèi)，注意增多測點(diǎn)及縮短監(jiān)測的間隔時(shí)間，并將主監(jiān)測斷面設(shè)在SK1+487處，主要監(jiān)測此處地層的水位、分層沉降和水平位移，這可對隧道上覆地層的變形和移動進(jìn)行全面反映。

應(yīng)用結(jié)果顯示，通過旋噴加固SK1+445～SK1+473段的地層后，地層的強(qiáng)度有所提高，隧道拱頂?shù)臐B水量也得到了有效控制；通過在掌子面運(yùn)用長短混用的注漿小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加固，掌子面的穩(wěn)定性有所改善；鎖腳注漿錨管的應(yīng)用效果非常明顯，這都為后期隧道的順利開挖創(chuàng)造了有利條件。針對SK1+473～SK1+600段，雖然僅在臺階一處做了全斷面注漿，但隧道開挖仍很順利，究其原因在于超前小導(dǎo)管在堵水和注漿加固上起到了十分有效的作用。另外，結(jié)合圖1，在淺埋暗挖隧道施工中，正確運(yùn)用施工原理和施工工藝可有效防止發(fā)生地表塌陷事故，建議每一位現(xiàn)場施工人員和技術(shù)人員都應(yīng)具備較高的專業(yè)素養(yǎng)。

3 結(jié)語

在淺埋暗挖隧道施工中，應(yīng)積極落實(shí)“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的施工方針，以實(shí)現(xiàn)對地表塌陷事故的有效控制。其中，“預(yù)防為主”要求每一位現(xiàn)場施工人員和技術(shù)人員都應(yīng)掌握專業(yè)的施工知識和具備良好的綜合素養(yǎng)；“防治結(jié)合”要求在綜合分析地表塌陷成因的基礎(chǔ)上，密切監(jiān)測地面、洞內(nèi)、地層深部和地下水等，并進(jìn)一步優(yōu)化施工方案，從而保證淺埋暗挖隧道施工的順利推進(jìn)。

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Research on surface subsidence and effective control caused by excavation tunnel construction

Zeng Zhao

(EngineeringSchool,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Through the analysis on surface collapse causes caused by shallow buried excavation tunnel construction, from the un-support space reduced, groundwater treatment, weak loose stratum reinforcement and other aspects, elaborated the matters needing attention in shallow buried excavation tunnel construction, and put forward the control measures of surface collapse, so as to ensure the smoothly construction of shallow buried excavation tunnel.

tunnel, shallow buried excavation method, surface collapse, grouting reinforcement

1009-6825(2017)02-0162-02

2016-11-02

曾 照(1992- )，男，在讀碩士

U457

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