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摘要:近年来,随着我国经济的快速发展,中国的城市化进程也大大的加快,人口的不断膨胀和自然资源的减少的问题也就暴露无疑。城市化建设开始密集化,大量的建筑开始向高空和地下发展,而地下洞室是工程中建筑最多的地下构筑物,比如城市地铁、公路和铁路隧道等。隧道的开挖使其周边的岩(土)体产生应力重分布,从而引起地层的下沉及变形,威胁到地面建(构)筑物、地下管线、城市道路等的安全。因此,有必要研究隧道施工的主要方法、开挖影响因素,以对浅埋隧道有个初步的概念认识。
关键词:浅埋隧道;施工;沉降。
一、浅埋隧道的概念
隧道结构设计中有关隧道埋置深度的区分有很多种,如深埋隧道、浅埋隧道、超浅埋隧道等。隧道的埋置深度的深浅将直接影响到隧道衬砌结构的设计和施工。所谓隧道深埋或浅埋,是结合隧道断面上覆地层的工程地质特性和水文地质情况,围岩的构造特征,土层的松散状况,隧道断面周边土层的风化、破碎、断层影响的程度与隧道衬砌结构强度以及隧道结构断面所处水位等因素综合进行判定,而不是简单的以隧道断面以上的土层厚度来划分的。当然,洞顶是否稳定与现场的施工方法有着直接的联系,所以要直接判定深埋和浅埋的界限是不切实际的,也是非常困难的。
通过对在建隧道施工过程中的裂缝情况的研究发现,隧道衬砌的裂缝大多发生在浅埋段,裂缝发生的规律为拱腰部位;浅埋、超浅埋隧道;衬砌与地层不密贴隧道;无防水隔离层的隧道;先拱后墙法施工的隧道;全断面一次模筑衬砌的隧道;养护不好的隧道;刚性大、衬砌厚的隧道;按矿山法施工的隧道;小断面开挖施工的隧道等。在实际工程中判断隧道埋深是否合理是比较困难的,而对既有隧道裂缝的调查和研究就成为一个很有参考价值的研究。
二、隧道的深、浅埋主要分界标准
当隧道围岩变形过大时,隧道上方会形成塌落拱(或压力拱),而塌方是围岩因失稳而破坏的最直观的方式。研究资料表明,当隧道的埋置深度大于2倍的塌方高度时,才可以用塌落拱的计算公式计算,所以人们通常以隧道埋深等于塌方高度的2倍的方法作为判别隧道深、浅埋的分界的主要标准。同时,实际工程中塌落拱的高度与隧道围岩级别有很大的关系。根据资料显示,Ⅲ级以下的围岩强度较高,一般不会由于浅埋而出现围岩失稳而被破坏的情况,而在Ⅲ~Ⅳ级的软弱围岩中,隧道的埋深较浅会出现结构失稳而被破坏的情况,需要考虑隧道结构的设计问题。
三、浅埋隧道的主要施工方法
浅埋隧道最大的特点就是埋置深度浅,隧道断面上部的覆盖土层厚度较小。浅埋隧道在施工过程中,由于隧道的埋深较浅,隧道断面施工就扰动其上土层原始的平衡应力状态,土层较薄引起的地表沉降就比较容易观察的到。因此对隧道的开挖、支护、衬砌、排水、注浆等施工方法和工序的前后顺序的控制就显得特别重要,对施工人员的整体素质要求也就更高,同时施工的难度也相应的增加。
浅埋隧道的施工方法多种多样,其中主要有:明(盖)挖浅埋隧道施工方法、盾构浅埋隧道施工方法、浅埋暗挖隧道施工方法。
四、浅埋地下洞室开挖引起地表沉降的因素
地下洞室的开挖过程中,土体的开挖会对围岩进行扰动和破坏,地下水也会随着流失,进而导致衬砌的变形和地表的变形。所以,影响地表变形的因素有很多:围岩的特性、地下水、设计与施工方法、埋置深度等。
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(1)围岩特性
由于浅埋隧道的特点就是埋深较浅,隧道的开挖断面大都处于第四纪松软地层中,第四纪土的形成时间较短,大都是松散或半固结的状态,容易产生流动和破坏,从而对所建工程产生不良影响。因为第四纪土的固结大都没有完成,土体的特性也很不稳定,会随着外界的一些环境的变化而改变,而土体的特性改变之后有会对地表的沉降产生影响。
在进行浅埋隧道的施工时,必须了解工程所处地层中的各层土的类型、土层厚度、塑流状、灵敏性及其它的物理力学性质,才能进行设计和选择适合的施工方法,而且这些也是确定辅助工法的基础。
(2)地下水位
地铁隧道大多处于地下水位线以下,在隧道施工前对周边进行降水处理后,由于隧道断面处的水位较低而导致地下水从开挖断面的缝隙中流出,随着施工进度的加快,土层中的水也在加速的流出,土层在失水后其节理裂隙被迫再次进行固结。从大量的工程监测数据对比表明,地层在失水后再固结而变形,从而导致地表的沉降,这部分沉降量占总沉降量的大部分。
工程中常采用降水的方法进行施工,降水的目的是使工程范围内的地下水位下降到不影响工程的正常施工。当地下水下降以后,处于降落漏斗以内的土体由原来的浮重度变为饱和重度,土颗粒的自重应力也变大了。由于土层自重压力的增大和动水压力的作用,在降水井周围的地面就会产生一个变形区,这个变形区的大小及沉降速度主要取决于含水层的特性。许多国家和地区的资料证实,地面最大沉降面积与地下水开采区最大取水量的面积相符,地面沉降的快慢和大小跟随着地下水的上升或下降而改变。
为了控制这种地面沉降,在降水期间对降水区域附近的建筑物、地面及地下水位要进行专门的监测,并及时分析地面沉降的发展趋势,应用能够确保地面建筑物安全的一些具体的措施。为了控制因降水而导致的大面积的沉降,可以采用一边抽水一边注水的方法。当地下水水位较低、建筑物的基础为浅基础时,可以采用快速降水的方法,缩短工期,在土中的水还没有完全释放、沉降未明显发生以前完成施工,完成施工后就停止抽水,恢复地下水位,从而可以尽量的减小地面的沉降量。
(3)设计与施工方法
在工程设计之初,进行路线设计的阶段应选择相对较好的地层来穿越,这样就能尽可能的减少围岩的变形及地面的变形。在隧道断面形式的选择上,拱形截面的受力形式较好,变形也较小,能满足部分地面建筑物对变形的严格要求;矩形截面的使用空间较大,空间利用率较高,但是这种截面的受力形式较差,容易在转角处出现应力集中的现象,从而导致衬砌的变形较大。在设计中,一定要根据工程的实际情况、地面及周边建筑物对沉降的要求来选择合适的隧道截面结构形式。
设计方法得当,若施工方法选择不当,未能及时的施作初期衬砌或者衬砌施作的不当,也同样的会导致围岩及地面的变形和沉降。地铁常用的施工方法有:台阶法,中隔壁法,交叉中隔壁法。其中台阶法施工的地表沉降是最大的,是交叉中隔壁法对地面沉降影响的一倍(中隔壁法介于另外两种工法之间),但是台阶法施工工序简单,操作方便,造价较低,只要台阶法施工的地表沉降能满足建设方的要求,该方法还是比较实用的。国内外的单线隧道采用台阶法施工的还是比较多的,台阶法的形式也是多种多样的,可以根据设计的工程情况来选择。
结束语
由以上可知,地面的变形受许多因素的影响,不可能用一个简单的值或一个简单的公式来衡量这个变形的大小。如果地层条件较差,可以选择合适的辅助工法(如:注浆加固、超前小导管、管棚超前加固等)来适当的缩小地层差所带来的不利影响;若工程所在地的地面变形容许值很小,通过注浆加固的辅助工法来施工的话,就会大大的增加工程造价,如何平衡施工方法和造价而得到合理的地面变形量是一个很大的难题。
参考文献:
[1]姜忻良,赵志民.隧道开挖引起土层沉降槽形态的分析与计算[J].岩土力学,2004,25(10):1542-1544.
[2]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽:安徽教育出版社,2004.
论文作者:杨小龙
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第24期
论文发表时间:2019/6/20
标签:隧道论文; 围岩论文; 土层论文; 断面论文; 方法论文; 地面论文; 地表论文; 《建筑细部》2018年第24期论文;