浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制

赵富家

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

在城市化进程越来越快的今天，我国人口众多，道路交通越来越拥挤，为了解决这一问题，我国的各大城市都在积极地开发地下铁路工程。另外，城市中各类管线的铺设也需要建设特有的工程，所以城市建设中常常会遇见隧道施工，若是施工技术手段不当很容易引发地表塌陷，不仅危及到隧道的正常开发，严重时甚至会对施工人员的人身财产安全造成威胁。近年来国内外的地铁建设中类似事故比较常见，我们应该对施工中浅埋暗挖技术引发的塌陷现象进行分析，找出具体原因并提出针对性的解决策

略[1]。

1 某地铁工程的地表塌陷状况

山西省太原市小店220 V变电站地处太原市的东南区域，这个地区很多年前曾经是湿地，富含较多地下水，刚刚开始挖掘不到1 m就见水了，但是由于小店变电站和康宁变电站之间的线路工程要求有电缆通道，必须挖掘出507 m长的隧道。该隧道需要穿越的公路上方有电线的干扰，挖掘要求深度为7.5 m，施工用的大型机械并不能使用，也无法正常打桩，所以采用了浅埋暗挖施工方案。

在施工过程中，支护工作采用的是小导管注浆法和钢架锚杆联合支护法，容易出现问题的地段则采用注浆旋喷加固进行特殊加固。该隧道围岩结构较弱，含水量非常大，从而仅在施工挖掘的过程中就出现了两起地表塌陷事故[2]。

第一次塌陷发生在隧道刚开始挖掘的位置，挖掘前已经采取了地表止水旋喷加固措施，并在开挖后采用小导管进行预加固。实际施工的状态下刚开始仅有拱顶发生少量渗水，但是累计挖掘一小段距离时，地层发生了大变形，并伴有涌泥涌砂现象，导致地表塌陷范围达到挖掘长度的70%。事故发生后工作人员及时重新对塌陷地面进行水泥—水玻璃双注浆法加固，并辅以中空注浆管棚加固。

加固完毕后继续正常施工，但是渗水量依旧非常大，严重影响到了隧道继续开挖，经过专业人员分析得知，中空注浆管棚没有起到应有的作用，所以改用双层小导管注浆法和洞内深孔注浆法重新止水加固，继续开挖。但是一段距离后，核心土处却一直有水流出，同时伴有大量的涌砂现象，进而发生了地表塌陷。地表塌陷后，隧道多处又同时出现涌水现象，并且还在逐渐加量，因此必须马上进行全面加固处理[3]。

2 导致地表塌陷的原因分析

2.1 地表塌陷机制

采用浅埋暗挖技术进行隧道挖掘施工而引发的地表沉降事故是很复杂的过程，引发原因是各种各样的，发生过程也是各不相同的，但是总的来说都是由挖掘过程产生应力，应力传递引发地层变形。开始挖掘工程时，若是没有采用支护措施，那么隧道的围岩很容易因为失稳而被破坏，尽管上覆地层的厚度够用，土体不会进一步发生破坏，但是在隧道挖掘的过程中力学条件是会不断变化的，当压力拱被破坏时，就会引发地表塌陷事故。

以上述的塌陷事故为例，我们可以看出，整个工程的力学条件是随着隧道的高度、压力拱高度和跨度变化的，压力拱一直处于形成新状态、被破坏、再形成新压力拱的循环过程中。当没有支护条件时，隧道很难形成自然平衡的压力拱，这时我们可以定义一个临界压力拱，当压力拱成为临界压力拱时继续挖掘工程，势必会导致地层土体无法形成下一级压力拱，从而造成水破坏而形成地表塌陷。为了解决这种问题，施工中采用了适当的支护措施，在一定程度上限制上覆地层的变形，促进压力拱的形成，有效避免地表塌陷事故的发生。由此可见，在隧道施工前对地层进行加固，及时进行预支护工作，是预防地表塌陷的关键所在。

2.2 地表塌陷原因

地表塌陷原因是比较复杂的，根据实地考察并对塌陷现场的状况进行分析，可以找出不同方面的原因。

2.2.1 地层条件的原因

实地考察后，我们可以对当地的土体进行力学性质分析，采用高精密仪器分析其微观结构，参考勘测人员的报告进行分析，得出该地的地层特征为：淤泥质粉土分布广泛，地下水含量丰富，工程性质较差，渗透性非常好，若是地下水处理不当很容易引发流砂管涌问题；隧道的洞身处于风化程度较高的岩层中，洞顶位置还有局部砂层存在，一旦与水相遇很容意引发渗流现象。

从工程实例中的塌陷事故分析，我们可以看到塌陷事故中都有涌水涌砂现象，可以判断出动水压力是事故发生的主要诱因。在该地层条件下进行隧道挖掘施工，隧道的高度小于2.22 m时能够形成不稳定的压力拱，非常容易引发失稳破坏现象；而隧道高度在2.22 m以上时，压力拱很容易会在下一级施工中被破坏，出现涌水涌砂并引发地面塌陷。所以在这种地层条件下进行隧道施工，地表塌陷的客观条件是非常丰富的[4]。

2.2.2 施工情况原因

地表塌陷事故除了和隧道施工现场的地层条件有关，还会受到施工中施工状况的影响，若是施工中工作人员操作不当或是监督检测机制不良都可能引发事故。

a）地质超前预报工作没有做好。地表塌陷发生前都是有征兆的，超前预报应该在挖掘工程到达旋喷加固区和洞内深孔注浆加固区的边界时事先做出预报，并采取有效的技术措施避免塌陷事故的发生。

b）洞内深孔注浆加固程度不够。在进行洞内注浆加固时并没能达到止水加固的目的，超前小导管注浆也没有达成预先期望的效果，进而发生涌水涌砂，并在水压力的条件下造成压力拱破坏，进而引发地表塌陷。

c）没有对地层沉降进行监测。地层塌陷事故发生时路面不一定会发生同步的变形，所以单纯的路面沉降监测并不能同时监测路面下方的地层，从而施工方也没能在塌陷发生前检测到地层的真实运动状态，无法避免事故发生。

3 避免地表塌陷的可行措施

参考以上的地层土质分析，想要避免地层塌陷事故就要做好隧道支护工作，具体的可行措施包括：

a）尽量减少无支护空间，若是工作面出现了无支护空间，应及时进行预支护，有效避免地表塌陷。

b）施工现场的土体比较松软很容易出现结构失稳、小范围的塌方，这时施工人员要及时采取有效措施避免更大的塌方事故出现。

c）对地下水处理加强重视，地表塌陷的诱因就是施工中常见的涌水流砂，采用注浆进行止水后，便能有效防止地表塌陷。

d）维持地层压力拱的稳定，该施工现场的地层松软且有较多的砂层和不良地质体，要采取针对性的有效措施进行地层加固，保证施工安全。

e）对拱脚的变形进行检测控制，若是遇上已经发生塌方的地段，要及时加强地层加固工作，对之前进行过加固支护的部位进行注浆补充。

f）地表塌陷是通过长期的积累而引发的突发性事故，在发生之前并没有明显的征兆，所以施工人员要在容易发生塌陷的地段进行深部监测，对地层沉降做出预报，在塌陷前及时处理。

4 结语

采用浅埋暗挖隧道施工法进行地铁隧道挖掘施工时，由于地质条件和施工状况会导致地表塌陷事故的发生，施工单位及相关专家应及时找出导致事故发生的原因，并提出针对性的解决策略，保证工程质量，提升企业效益。