淺埋暗挖大斷面矩形隧道施工中地面變形規(guī)律研究

摘要：淺埋大斷面矩形隧洞是目前我國(guó)城市地下空間發(fā)展的一項(xiàng)重要工程。但是，淺埋大斷面矩形隧洞的施工工藝復(fù)雜，周邊環(huán)境敏感，因此，對(duì)地面變形進(jìn)行有效控制是目前迫切需要解決的難題。地面變形不但對(duì)周圍建筑及基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生重大影響，而且會(huì)引起一系列的社會(huì)問題與經(jīng)濟(jì)損失。基于此，探討淺埋暗挖大斷面矩形隧道施工中地面變形規(guī)律與優(yōu)化措施有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：淺埋暗挖"大斷面矩形隧道"地面變形"核心

Study"on"the"Ground"Deformation"Law"in"Shallow"Underground"Excavation"Large-Section"Rectangular"Tunnel"Construction

LUO"Lang

Shenzhen"Municipal"Group"Co."，"Ltd.，"Shenzhen，"Guangdong"Province，"518000"China

Abstract："The"shallow"underground"excavation"large-section"rectangular"tunnel"is"an"important"project"for"the"development"of"urban"underground"space"in"China."But"its"construction"technology"is"complex，"the"surrounding"environment"is"sensitive，"therefore，"effective"control"of""ground"deformation"is"an"urgent"problem"that"needs"to"be"solved."Ground"deformation"not"only"has"a"great"impact"on"the"surrounding"buildings"and"infrastructure，"but"also"causes"a"series"of"social"problems"and"economic"losses."Based"on"this，"this"paper"discusses"the"law"of"ground"deformation"and"optimization"measures"in"the"construction"of"shallow"underground"excavation"large-section"rectangular"tunnel.

Key"Words："Shallow"underground"excavation;"Large-section"rectangular"tunnel;"Ground"deformation;"Core

大斷面淺埋暗挖矩形隧道的難點(diǎn)是如何對(duì)地面變形進(jìn)行有效地控制，從而保證施工的安全性及周圍環(huán)境的穩(wěn)定性。地面變形不但會(huì)對(duì)地下建筑物和地下管線產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，而且會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。因此，研究地面變形的規(guī)律具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的建設(shè)方式已很難適應(yīng)當(dāng)今城市高密度建筑與復(fù)雜地下管網(wǎng)的建設(shè)需求，而淺埋暗挖具有對(duì)地表擾動(dòng)小、施工靈活多變等優(yōu)勢(shì)，已逐步成為城市隧道建設(shè)的首選。淺埋暗挖大斷面矩形隧道的整體施工質(zhì)量受地層應(yīng)力分布、變形方式、施工工藝的選取等諸多因素的影響較大，所以，對(duì)淺埋暗挖大斷面矩形隧道施工進(jìn)行分析并探索優(yōu)化措施具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1"淺埋暗挖大斷面矩形隧道開挖方法

1.1分段挖掘法

分段開挖法是大斷面淺埋暗挖矩形隧道常用的一種施工技術(shù)，采用分段開挖的方法，將隧洞的橫斷面分為多個(gè)區(qū)段，分段開挖、支護(hù)（如圖1所示）。其最大的優(yōu)勢(shì)是可以有效地控制地面變形，降低地表沉陷[1]。在實(shí)際工程中，先將隧洞的橫斷面分成幾個(gè)區(qū)段，按照施工次序逐個(gè)開挖。每次開挖后，均應(yīng)及時(shí)采取措施，保證開挖面的穩(wěn)定。在地質(zhì)條件比較復(fù)雜、地下水位較高、隧道斷面較大時(shí)，尤其適合采用分部開挖法。分階段開挖可以有效地減輕圍巖的應(yīng)力，防止大面積塌方。同時(shí)，由于單次挖掘范圍小，施工人員能夠更好地掌握施工進(jìn)度與支護(hù)質(zhì)量。但是，分段掘進(jìn)方式也面臨著建設(shè)周期長(zhǎng)、機(jī)械化程度不高等問題。所以，在施工過程中，要結(jié)合具體的工程條件，對(duì)各方面因素進(jìn)行綜合考慮，合理地確定分段開挖范圍與分段施工順序。

1.2階梯法

階梯法的基本特征是將隧洞橫斷面劃分為上、下兩段或多段，分段開挖、支護(hù)。其核心是分步卸壓，降低地表塌陷風(fēng)險(xiǎn)。在施工過程中，先開挖上臺(tái)階，后支護(hù)，而后開挖下臺(tái)階，并及時(shí)支護(hù)。此法可應(yīng)用于復(fù)雜的地質(zhì)條件和較高的地下水位[2]。采用階梯法可以有效地控制地面變形，減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。同時(shí)，由于單次挖掘范圍小，施工人員能夠更好地把握工程整體質(zhì)量。但是，在工程實(shí)踐中，應(yīng)對(duì)臺(tái)階的高度、寬度進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，并安排合理的開挖次序，同時(shí)要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控與管理，以保證工程的安全與穩(wěn)定。同時(shí)，施工小組也要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，對(duì)基坑的開挖計(jì)劃進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

1.3中隔壁法

中隔壁是一種常用的大斷面淺埋暗挖矩形隧道開挖方式，其基本特征是在隧洞中增設(shè)中隔墻，將隧洞分成多段，逐層開挖支護(hù)。中隔墻技術(shù)的關(guān)鍵是利用中隔墻的支承來減輕地層壓力，提高施工安全性。在施工過程中，先在隧洞中段設(shè)中隔墻，將隧洞劃分為左、右兩段，再進(jìn)行開挖、支護(hù)。中隔墻技術(shù)尤其適合于復(fù)雜的地質(zhì)條件和較高的地下水位。該技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以有效地控制地面變形，避免地面塌陷等災(zāi)害。但是，中隔墻技術(shù)也面臨著建設(shè)周期長(zhǎng)，機(jī)械化程度不高等問題。所以，在施工過程中，要結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)隔墻的位置、大小進(jìn)行科學(xué)地規(guī)劃，對(duì)施工次序進(jìn)行合理地安排，同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控與管理，保證各基坑的穩(wěn)定性與安全性。

2"淺埋暗挖隧道對(duì)周邊地層影響與變形規(guī)律

2.1地表沉降與變形規(guī)律

在大斷面淺埋暗挖矩形隧道施工中，最主要的影響就是地層的沉降變形。隧洞施工對(duì)原地層結(jié)構(gòu)造成了一定程度的破壞，導(dǎo)致地層應(yīng)力的再分配，從而造成了地層的沉陷。這類沉降變形一般以地面及地層的不同程度沉陷為特征。地面沉降曲線總體上呈鐘型，其最大沉降量發(fā)生在隧道軸線的正上方，然后向兩邊遞減。在地下工程中，既有地面沉陷，又有隧道周圍一定深度的地層沉陷。在工程建設(shè)過程中，地基沉降不斷積累，直到某一穩(wěn)定值。地層沉陷與隧道埋深、地層性質(zhì)和施工方法有很大關(guān)系，如軟巖層的沉降量大，硬巖層的沉降量小。在工程建設(shè)中，若采用不合理的開挖、支護(hù)方法，將加重地基的沉陷。因此，在淺埋暗挖隧道建設(shè)過程中，地表沉陷是一個(gè)需要嚴(yán)密監(jiān)控的重要參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行合理的沉降變形分析，將有助于指導(dǎo)工程的順利進(jìn)行。

2.2地層水平位移變形規(guī)律

在大斷面淺埋暗挖矩形隧道施工中，除地層沉降外，地層水平位移也是主要的變形特征。隧道開挖引起的地層應(yīng)力松弛與再分布，是造成地層側(cè)向位移的主要原因。一般情況下，基坑開挖初期，土體的水平變形不大，但隨著開挖面的推進(jìn)，土體的水平位移不斷增大，并在一定范圍內(nèi)保持不變[3]。地層的水平位移大小與地層性質(zhì)、隧洞斷面大小和開挖方式有很大關(guān)系。軟巖層的水平位移一般都很大，硬巖層的水平位移很小。隨著巷道斷面的增大，地層的水平變位也相應(yīng)增大。通過合理的支撐措施，可以有效地控制地層的側(cè)向變形，防止因過度的水平位移而影響地層的穩(wěn)定與鄰近建筑的安全。研究地層的水平位移與變形規(guī)律，可為隧道工程的支護(hù)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

2.3地層裂隙和破壞規(guī)律

在大斷面淺埋暗挖矩形隧道施工中，地層開裂與失穩(wěn)是一個(gè)不容忽視的問題。隧洞施工會(huì)引起圍巖內(nèi)部的應(yīng)力再分配，從而在圍巖中形成新的裂縫或使原有裂縫擴(kuò)大。圍巖裂縫的發(fā)育特征：隧洞施工初期，圍巖裂紋多發(fā)生在圍巖應(yīng)力集中的區(qū)域，隨開挖的推進(jìn)，裂紋會(huì)逐漸向外延伸，最終在圍巖內(nèi)部產(chǎn)生破壞區(qū)域。地層裂縫的發(fā)生與發(fā)育與地層性質(zhì)、斷面尺寸、開挖方式有很大關(guān)系。在弱層中，裂縫更容易出現(xiàn)并擴(kuò)展，但在硬巖層中，裂縫的生成與發(fā)展卻很緩慢。另外，隨著巷道斷面的增大，巷道在施工中出現(xiàn)的裂縫與損傷也會(huì)隨之加劇。采取有效的支撐措施，可以延緩巖層裂縫的形成與發(fā)展，維護(hù)巖層的穩(wěn)定。

2.4地層側(cè)向壓強(qiáng)的變化特征

在大斷面淺埋暗挖矩形隧道施工中，地層側(cè)壓力的改變是影響隧洞開挖質(zhì)量的主要原因之一。隧洞開挖改變了原來的平衡狀態(tài)，其規(guī)律：在掘進(jìn)初期，圍巖側(cè)壓力會(huì)降低，但隨著掘進(jìn)深度的增加，圍巖側(cè)壓力會(huì)逐步回升，最終趨于穩(wěn)定。地層側(cè)壓力與地層性質(zhì)、斷面尺寸、開挖方式有很大關(guān)系。軟巖層的側(cè)向壓力隨土層深度的增加而增大，而硬土層的側(cè)向壓力變化不大。另外，隨著巷道斷面的增大，圍巖側(cè)壓力的變化范圍也隨之增大。通過合理的支護(hù)措施，可以有效地抑制圍巖側(cè)壓力的變化，防止因側(cè)向力太大而對(duì)圍巖及圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響。

3"淺埋暗挖大斷面矩形隧道施工的優(yōu)化措施

3.1優(yōu)化施工方案設(shè)計(jì)

對(duì)于大斷面淺埋暗挖矩形隧道施工，必須先對(duì)其施工方案進(jìn)行整體優(yōu)化。完善的工程地質(zhì)勘察、合理的工程設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量?jī)?yōu)化的關(guān)鍵。通過詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察，獲得了工程場(chǎng)地的水文、地層結(jié)構(gòu)、土壤性質(zhì)等資料，為工程的設(shè)計(jì)提供了可靠的基礎(chǔ)。在進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，要綜合考慮斷面型式、支護(hù)結(jié)構(gòu)、開挖順序、開挖方式等多方面的因素，選用最適宜的施工工藝。例如：采取分段開挖等方法，可以減小對(duì)地層的干擾，降低地面的沉陷與變形。

3.2加強(qiáng)施工過程的監(jiān)控

在大斷面淺埋暗挖矩形隧道工程實(shí)踐中，對(duì)施工過程進(jìn)行監(jiān)控，可以確保工程的安全與質(zhì)量。通過對(duì)隧道周圍地表、地下結(jié)構(gòu)及支撐體系的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決工程中存在的各類問題[4]。可以在圍巖中設(shè)置位移儀、應(yīng)力儀、裂隙測(cè)量?jī)x等多種檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖及周邊環(huán)境的全面監(jiān)控。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，使技術(shù)負(fù)責(zé)人能根據(jù)實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整施工方案，預(yù)防安全事故。同時(shí)，通過監(jiān)測(cè)和測(cè)量，可以對(duì)工程的實(shí)施情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，為以后的工程建設(shè)提供參考。

3.3改進(jìn)施工機(jī)械設(shè)備

施工機(jī)械的合理選擇與應(yīng)用直接關(guān)系到工程的效率與質(zhì)量，通過對(duì)工程機(jī)械的合理布置，可以有效地提高工程建設(shè)的效率，控制地表變形。采用全斷面掘進(jìn)機(jī)、水力支護(hù)等先進(jìn)施工機(jī)械裝備，可以顯著提高施工效率，保證施工的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。同時(shí)，要定期做好工程機(jī)械的維修工作，保證工程機(jī)械的正常運(yùn)行，降低機(jī)器出現(xiàn)故障對(duì)工程的影響。同時(shí)，在工程建設(shè)中，要結(jié)合工程的具體條件，靈活地進(jìn)行各種機(jī)具的配置與運(yùn)用，最大限度地發(fā)揮其功能，從而達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益。另外，必須對(duì)施工隊(duì)伍進(jìn)行專門的訓(xùn)練，熟悉各種機(jī)具的使用方法，以保證工程機(jī)械設(shè)備的高效、安全運(yùn)行。通過對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行了改造，使工程的效率、質(zhì)量得到改善，同時(shí)也降低了地表變形的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在大斷面淺埋暗挖矩形隧道工程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)是確保工程安全與質(zhì)量的重要組成部分。通過對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，可以有效地改善巷道的穩(wěn)定性與耐久性，減少施工對(duì)地表變形的影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容包括應(yīng)用預(yù)制板、噴射混凝土、錨桿支護(hù)等新型支護(hù)材料及結(jié)構(gòu)型式，使其具備高強(qiáng)度、高耐久性，可有效支撐隧道結(jié)構(gòu)，避免坍塌、變形等。在工程建設(shè)中，要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)范施工、安裝，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與效果。同時(shí)，在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)該明確具體的施工技術(shù)與操作規(guī)范，以保證基坑支護(hù)的施工質(zhì)量。通過對(duì)其進(jìn)行合理的支護(hù)設(shè)計(jì)，可以有效地提高其安全穩(wěn)定度，延長(zhǎng)其服役壽命。

4"結(jié)語

通過對(duì)大斷面淺埋暗挖矩形隧道的開挖地表變形規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，掌握不同施工階段的地表變形特點(diǎn)與影響因素，相關(guān)人員可以采用合適的施工工藝與支護(hù)方式，有效地控制地表下沉與變形，保證工程安全及周圍環(huán)境的穩(wěn)定。隨著施工技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于地表變形的控制方法也會(huì)越來越完善，從而為安全、經(jīng)濟(jì)的隧道工程施工提供更多的保障。

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