城市隧道施工引起的地层变形规律

李挺

摘要：大规模的城市轨道交通主要在北上广等一线城市开始建设，大规模的地铁施工必然给沿途的百姓和环境带来危害出现地层变形，这样会导致地表建筑物的差异沉降、开裂以及地下管线的破裂等。如果施工不当，可能会出现工程事故甚至人员伤亡。所以，在地层缺陷影响下城市隧道施工引起的地层变形规律及控制方法的研究成为了当前城市轨道交通建设中一个必要研究课题。

关键词：城市隧道施工;地层变形规律;控制方法

前  言

随着城市化建设的加快和进城务工人员的急剧增加，城市交通面临很大的压力，交通问题成为制约城市经济发展的重要因素，更是一个影响社会正常秩序的社会问题。以地铁建设为代表的交通建设在解决交通堵塞、方便居民出行、加快城市建设方面采取了有效措施。但是地铁在解决问题的同时，在建设和运营过程中会经常出现事故，经国内外对地铁的研究表明，地铁在建设和运营过程中会对沿线地层造成扰动，从而引起地层移动出现各种事故。在城市地铁沿线建筑物较多，埋深比较浅的位置更容易发生事故。

一、地层缺陷及其影响分析

在我国城市经济迅猛发展和城市建设步伐加快的21世纪，各大中城市为了解决本城市的交通拥堵现象，纷纷大规模建设地铁，地铁项目受到诸多因素的影响，不仅涉及面广其难度也是巨大的。在进行隧道施工时会经常出现负面影响，安全事故频繁发生，通过专家的分析研究发现这些事故发生的原因大致可分為：不良地层、管线断裂、地层中不良地质体和施工管理等方面的问题。在城市隧道施工过程中管线断裂和地层中不良地质体的占比是最大的。俄日两国解决了由于底层缺陷修筑隧道带来的不良影响，不仅需要研究人员对城市隧道施工引起的地层变形规律进行分析，还需要提高施工管理水平，对地层变形适当控制。

在城市隧道建设过程中出现的地层缺陷主要可以划分为两大类，一是有些建筑物在现有环境下可以安全存在，但是由于受到施工作业的影响，原本在地下缺乏一定承受能力的建筑物，在周边进行施工后承受能力更弱，最后导致地层塌落。二是受到自然条件的影响，使隧道施工沿线的地质体变得柔弱不堪，出现不连续现象等缺陷。比如有些土质体熔岩洞、土洞等土质输送，本身自稳能力比较弱，在加之常年雨水天气的冲刷，使其变成空洞，这是由于自然原因造成的。人们生产生活及工程施工后的维护也是非常重要的，比如很多地方由于水资源缺乏就对地下水无节制的开采，最后导致地层固结而出现脱层现象，在工程施工过程中雨水风沙又将沙土带走，必然也会形成空洞。

二、城市隧道施工引起的地层变形规律

在实际隧道施工过程中，隧道的相对位置、尺寸等方面与空洞对隧道施工的影响方面有很多的不同之处，这两个在对周围岩石稳定性的影响上有有比较显著的效果。地层变形规律改变和破坏的影响及对施工沿线的不利位置变化都需要进行分析和研究。

根据城市地铁建设施工对空洞的分布、尺寸等因素产生的影响进行分析，来找出地层变形的规律。在国内外隧道工程领域，目前研究采用比较普遍的就是数值计算理论，它包括连接介质微分法、连续介质微分法、不联系介质微分法三种方法，一直以来在这三种研究中比较成熟的是连续介质微分法，因为这种方法不管是在时间上还是在空间上都可以进行细分。隧道在施工过程中进行的开挖使空洞福建的岩石土壤受到了干扰，导致在施工过程中盈利的释放率随之增加，在隧道周围出现一定范围的屈服接近区，并且向围岩深处渗透，加快了土质薄弱地区的空洞速度，使得隧道的破坏模式发生了变化。

三、地层变形对建筑物结构破坏的主要模式

从范围和程度上来讲，建筑物受到的损害分为直接损害和间接损害，分别是针对位于隧道施工主要影响范围以内和以外的情况。从能量角度看，隧道开挖引起地基支承损失、基底反力产生畸变，随后上部结构产生应力重分配，首先在薄弱环节形成能量聚积、应力集中，最终发生破坏（如墙体开裂、挤压破碎或扭曲），这个破坏结果就是一个能量释放的过程，像这样反复的能量聚积、耗散中地层与建筑物始终在寻求平衡，其长期发展的后果便是结构破坏加剧导致安全性受到较大影响甚至丧失。

通过对大量工程实例的归纳分析，建筑物变位破坏模式主要表现为整体沉降（均匀和不均匀）、倾斜和结构开裂等，其中不均匀沉降和结构开裂的发生机理更为复杂，是地层多种变形综合作用的结果，而过量的地层不均匀沉降是主要原因。

1.建筑物整体沉降

隧道开挖形成的地表沉降槽在中心处沉降最大、两边逐渐变小，所以地面上建筑物不管处在沉降槽什么位置都将不可避免的受到不均匀沉降的影响。但是在地表沉降槽两侧反弯点之间，特别是位于沉降槽底部的整体性较好的建筑物，随着隧道的开挖地层的倾斜、曲率等一些不均匀沉降特性在架构上的表现并不明显，整体上看建筑物的变形比较一致，开裂破坏现象相对来说比较少，主要表现就是近似整体均匀沉降。就目前而言最为普遍的一种看法是整体沉降不会造成建筑物的破坏，对于它的稳定性和使用条件也不会出现太大的影响，但是实际上整体沉降过大对建筑物及隧道结构安全的破坏性影响是不可忽视的。

2.建筑物倾斜

同均匀沉降相比，建筑物对不均匀沉降的敏感程度更强烈，经常发生倾斜或开裂破坏。通过沿纵墙方向基础两端的差异沉降体现出来的就是建筑物倾斜，建筑物整体刚度越大，它开裂程度相对来说就越轻，当刚度达到一定程度时就只用考虑整体倾斜的情况，对于长高比较小的高耸建筑物，更可能因所受附加力矩过大而出现倾倒趋势。

3.建筑物结构开裂

由结构关键部位对应的不均匀沉降、地表曲率和水平变形使墙体中产生过大的附加拉剪应力造成的建筑物结构裂缝的出现和发展是结构破坏的先兆和直观表现。在隧道来挖时建筑物的开裂破坏通常是无法避免的，体型越大、结构刚度越小的建筑物越容易产生开裂损害现象，尤其在砖石承载墙体或用砖石填充的框架墙体中较为多见。

四、地层变形的控制应用

隧道工程来挖引起的地层变形首先是以空洞为中心逐渐向隧道沿线延伸的，同隧道的塑性区是相连的。在施工和控制过程中要以缺陷为核心，在施工之前进行超前探测，然后对空洞内缺陷进行处理，以此来缓解隧道渐近线破坏的进程。

1.超前探测

超前探测分为直接和间接两种，直接超前探测就是地质法和钻探法，而间接地势通过地面电测探、地面浅层地震法等物理技术进行探测。目前普遍运用的是间接探测法。在隧道施工中进行超前探测，如果采用地震反射法成本会很高，对周围环境影响大，一般很少用。红外探水技术虽然能够掌握围岩的含水量但是不能探测到确切的距离，且对环境要求高，也不常用。地质雷达法成本相对较低，探测精度较高，对周围环境影响较小，所以一般运用较多，对于特殊地质还可以针对性的采取适当方法，来减少缺陷处理。

2.缺陷处理

对缺陷进行处理的方法一般就是填充和隔离、对周边的土体进行加固。一般在缺陷处理过程中采用的辅助手段是注浆，具体施工过程包括填充、压密、渗透等，注浆的方法比较多，按照施工的过程可以分为填充注浆、压密注浆、渗透注浆等，在不同的环节可以采用不同的注浆方法。

五、结束语

综上所述，虽然城市隧道施工过程中会出现很多缺陷问题，但是只要在施工之前做好探测，并根据探测的情况分析出地质的具体情况，及时处理和控制缺陷，对地层沉降及破坏进行及时有效的遏制，可以在很大程度上控制和降低风险事故的发生，保证隧道施工的安全顺利进行。