隧道施工诱发地表沉降影响分析

李佳锜

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摘要：随着交通基础设施建设快速发展，新建隧道会遇到越来越多的隧道浅埋、围岩软弱、围岩富水性等不良环境和围岩条件，以及穿越隧道等既有地下构筑物或者铁路、建筑、公路等地上构筑物复杂工况。在隧道施工过程中会打破原有围岩平衡状态，因控制不当产生破坏扰动较大时，就会造成较大地表沉降或不均匀沉降。鉴于此，本文对隧道施工诱发地表沉降影响进行了分析，以供参考。

关键词：隧道施工；地表沉降；影响分析

引言

隧道掩埋深度、地层情况、工程施工中应用的技术等是影响地表沉降的主要因素，而工程测量数据却可以受到多种因素的影响，因此，需要对工程测量数据进行研究，从而对盾构隧道施工引发的地表沉降规律进行科学研究。

1工程概况

某隧道工程区段线DK12+896．3～DK13+653．4里程采用盾构法施工，隧道中心埋深约20．3m，隧道穿越区主要包括杂填土、黄土、软砾土和强风化岩等土质．其中杂填土主要以黏性土为主，并含有少量的砾石和灰岩，黄土呈现出黄褐色，其中含有少量的云母片和碎石．软砾土主要以灰岩和风化花岗岩为主，粒径主要分布在4～50mm范围内，强风化岩主要以层状构造为主，主要成分为云母和石英．隧道外径为6．5m，管片设计厚度为0．5m，每隔1．5m一环，隧道埋深在18．6～21．9m范围内。

2地表沉降规律

不同开挖阶段各断面地表沉降实测值与计算值如图1所示。受计算量限制，在数值计算仅考虑距掌子面60m范围监测点的沉降。

图1 不同开挖阶段各断面地表沉降实测值与计算值

由图1可见，盾构隧道施工期间地表沉降大致可划分为三个阶段:①在盾构通过前，为地表隆起阶段，由于盾构机实际推力大于静止土压力，地表土体局部隆起，沉降量约占总沉降量20%;②盾构通过期间，为地表沉降阶段，土层受到扰动程度大、沉降速率大，沉降量约占总沉降量的70%;③当盾构刀盘通过D2断面后，土体沉降趋于稳定阶段，土体沉降主要是固结蠕变残余变形沉降，盾构施工对该处地表影响变小。数值计算结果无法体现第一阶段地表沉降变化。这说明即使支护力参数取值合理性，在隧道实际施工中完全达到掌子面平衡也是难以实现的。

3影响地表沉降的相关参数

研究对象中隧道纵向穿越区主要包括杂填土、黄土、软砾土和强风化岩等岩体，由于文章篇幅有限，仅对隧道穿越黄土区进行详细介绍．为了深入探究影响地表沉降的参数因素以及各个参数对沉降的贡献度，采用控制变量法，分别对改变土体弹性模量、黏聚力、泊松比和内摩擦角的工况进行模拟，并对地表沉降进行监测分析．不同土体弹性模量下地表沉降曲线如图2所示，文中采用土体弹性模量分别为10、30、50、70MPa时进行对比分析．

图2不同弹性模量条件下地表沉降曲线

由图2可知:改变土体弹性模量时，地表最大沉降量和沉降槽宽度将发生较大的变化，上述土体弹性模量对应的地表最大沉降分别为51．2、17．5、11．8、8．6mm，即相同条件下，土体弹性模量越大，地表沉降越小;土体弹性模量为30、50、70MPa时相对于10MPa时分别减小了65．8%、77．0%和83．2%;此外，随着土体弹性模量的增大，地表沉降槽宽度也逐渐减小．

如图3所示，为了探究不同黏聚力条件下地表沉降规律，分别取土体黏聚力为10、20、30、40kN时进行对比分析．由图5可知:改变土体黏聚力时，地表最大沉降量发生变化，上述不同黏聚力对应的地表最大沉降分别为22．4、19．5、17．8、16．9mm，即相同条件下，土体黏聚力越大，地表沉降越小;土体黏聚力为20、30、40kN相对于10kN时分别减小了12．9%、20．5%和24．6%;改变土体的黏聚力，地表沉降槽宽度基本未发生变化。

图3 不同黏聚力条件下地表沉降曲线

4隧道施工地表沉降的优化策略

4.1明确隧道施工工序

在隧道施工中，为了避免地表沉降问题的发生，施工单位应该针对地质条件的特点，确定具体的隧道施工方案。

1）确定隧道施工的开挖工序，对导洞及扣拱周边进行加固，并在加固完成之后，进行隧的开挖处理，以增强隧道施工的稳定性。如隧道施工之前，可以预测隧道施工所引发的地表沉降的问题，合理模拟隧道的支护力学效应，并通过二维接触单元对锚杆的受力状况进行研究，确定具体的隧道施工方案，保证隧道受力分布及现场试验规律的一致，为隧道的稳定施工提供参考。

2）在数值模拟及理性模型试验中，隧道施工单位应该对管线的影响因素进行分析，明确地面沉降控制参数，通过施工方案的监测和数据的控制，保持离心试验及现场测量反应的一致性，使施工阶段的管道处于安全状态，避免地表沉降现象的发生。

3）在加固施工之后，需要明确隧道的开挖方案，科学选择支撑方案，使用小型导管进行超前的预先注浆施工，增强隧道工程施工的稳定性。超前小导管使用中，为了避免围岩力学结构的改变，应该确定力学性能通过注浆加固，保证工程施工的稳定性，以更好提高支护结构的强度

4.2同步注浆及二次注浆控制

（1）同步注浆质量控制。由于砂土的渗透性较好，实际注浆量应大于理论计算量，以保证注浆质量，注浆量的填充系数选取150~200%。同步注浆浆液应选取初凝时间短，能够快速填充管片外壁与地层间的建筑间隙，避免地面沉降超限。施工现场实际使用的浆液配合比在试验配合比的基础上进行微调，通过改变注浆材料用量或外加剂的方法将浆液初凝时间调整在4~6个小时范围内，浆液稠度控制在10~12cm范围内，施工过程中应每班对浆液质量进行检查，并形成记录，保证同步注浆浆液质量。（2）二次注浆质量控制。针对富水砂层地层后期因土体固结造成的地表沉降、同步注浆浆液凝固后的体积收缩而造成的管片渗漏水情况，需对管片进行二次注浆。当管片脱出盾尾5环后对管片吊装孔进行开孔补浆，二次注浆可选择每隔一环注浆一次。二次注浆因无法计算衬背空隙量，现场注浆时通常以注浆压力来控制，超过控制压力即停止注浆。注浆压力不大于0.5MPa，以免造成管片外周围压力过大，对管片造成破坏。

4.3掘进参数控制措施

主要控制盾构机掘进的总推力、扭矩、掘进速度等，采取的方法是向盾体外侧注入高粘度的纳基膨润土，膨润土经过发酵12小时，测得膨润土粘度不小于60s后，将膨润土通过盾体径向注浆孔注入到盾体与地层之间，膨润土的注入量为1.5方/环，注入膨润土的作用为减少地层沉降和防止因地层沉降将盾体裹住而增加盾构机的总推力。适当增加刀盘转数，增加至1.5rpm/min左右。通过盾体外部注入膨润土和增加刀盘转数后，盾构机的总推力降至16000kN左右，扭矩1800~2000kN·m，掘进速度达到30~50mm/min，采取措施后盾构机掘进参数满足此种地层施工要求。

结束语

在隧道施工中，施工单位应该结合隧道工程特点，分析影响地表沉降的现象问题，通过工程地形、地质及水文等具体状况，明确隧道地表沉降的施工方案，以保证隧道施工的安全性。

参考文献

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