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摘要：出于对科学的施工方式的考虑，在对大跨度以及浅埋隧道进行施工时主要采用钻爆法。但是在进行开挖以及爆破的过程中地表容易出现沉降以及变形，甚至对地表建筑物也产生很大的影响。为了确保隧道施工对周围建筑物的安全不会产生很大的影响，需要对隧道施工过程中产生的力学进行分析，进而通过科学合理的开挖方式提高工程的社会经济效益。
关键词：大跨隧道；开挖爆破；地表沉降；数值模拟；应用探究
伴随着我国经济的发展以及社会的进步，我国的交通运输行业也在很大程度上获得了发展，截至目前我国高速公路的通车里程已经跃居世界第二，不可否认的是高速公路的发展在很大程度上促进了我国国民经济的发展。我国幅员辽阔，山区面积比较广泛，在加上公路隧道自身的优势使得隧道在我国交通运输行业中的地位日益突出[1]。然而资金以及技术条件的限制，我国在进行隧道施工时面临很多的难题，尤其是对于跨度比较大的隧道在进行施工时更是面临严峻的挑战。当前在对高速公路的隧道进行开挖时主要采用的方法还是钻爆掘进法，在爆破的过程中所产生的爆破波难免会对地表以及地表建筑物产生不利的影响，本文以具体的工程为例阐述大跨隧道开挖及爆破对地表沉降的影响。
一、地表沉降机理以及预测方法分析
（一）地表沉降的力学机理
该隧道工程在开挖之前地层处于一种原始的力学平衡状态，伴随着施工进度的加深，地层的平衡状态会受到一定程度的干扰，在此基础上围岩就会发生变形甚至地表会出现沉降现象。将地表沉降的范围称为施工沉降槽，而施工沉降槽主要分布在浅埋的隧道地表。如下图所示，图1为三维地表沉降示意图。
图1 三维地表沉降示意图
（二）地表沉降的主要原因阐述
在不受任何因素的影响下隧道开挖其实是一个卸载的过程，地表的变形主要表现为地表的隆起。但是在具体的施工过程中往往会受多种因素共同影响，地表表现为沉降变形。地表沉降的主要因素有以下几个方面：
1、受开挖尺寸以及开挖方法等因素的影响
如果开挖的尺寸越大，那么沉降槽的宽度以及地表沉降量就会越大，工程实践表明，如果围岩条件不变，隧道的跨度越大那么隧道围岩就越缺乏稳定性，围岩的稳定性与地表沉降的联系比较紧密，围岩的稳定性强，地表沉降就越小，反之也成立[2]。
2、受隧道埋深因素的影响
地表沉降在很大程度上受隧道埋深因素的影响，隧道埋深越大，地表的沉降量就会越小，但是如果相对埋深值超过3时，地表最大沉降量就不会再发生任何的变化。
3、受地下水因素的影响
围岩岩体中的地下水对围岩应力状态产生很大的影响，地表沉降受地下水影响主要表现在以下两个方面：首先，静水压力会张开岩体的结构面，造成围岩的滑落与坍塌；其次，动水压力会使岩体产生移动，受流水冲刷作用的影响围岩更容易出现损坏现象[3]。
（三）预测地表沉降的方式分析
早在上世纪二十年地表沉降的相关预测方法就受到了众多国家的重视，伴随着学术界对该问题的进一步探究，地表沉降的方法也在很大程度上得到了发展与完善。当前国内外学者对地表沉降的预测方法进行了归纳总结，主要有数值模拟法、解析法、经验公式法以及室内模拟实验法等。本文主要对经验公式法以及数值模拟法进行重点性的探究。
1、经验公式法
经验公式法的实质是对统计学方法的应用，主要是应用统计学方法对地表沉降的数据进行逻辑归纳，进而将理论分析以及经验推断进行公式化。之后再将工程经验量转换成公式应用于实际工程当中，当前经验公式法中应用比较普遍的就是Peek公式法。Peek通过研究得知地表沉降槽几乎呈正态分布，在对地表沉降数据进行总结与分析的过程中，得知地层损失会导致地层移位的相关理论。比如，地层损失在隧道的长度上呈现均匀分布状态，但是沉降的土体体积却没有发生任何的变化，依据Peek公式法可以得知，地层损失的体积在理论上应该与沉降槽的体积均等。
2、数值模拟法
上文已经对经验公式法进行了具体的分析，下面就数值模拟法在地表沉降中的应用进行具体的探究。理论解析法不能对隧道的实际施工情况进行有效的反映，隧道结构以及岩土介质存在一定的非线性特点，因而地下工程在进行开挖时同样具备一定的非线性特点，尤其是比较复杂的隧道结构，采用基础性的理论解析法是不能对复杂的地质情况以及非线性特点进行有效的反映的，因而必须采用数值模拟法，与一般的理论解析法不同，数值模拟法具备很大的优势，比如能够对复杂的隧道结构以及地质条件进行描述，采用数值模拟法分析出来的数值结果更符合实际施工要求。针对地下工程施工而言，采用现代化的计算手段以及计算工具，再与施工方案进行对比分析，满足了当前对隧道施工力学发展方向的需求。数值模拟法在应用的过程中对复杂边界条件进行了综合性的考虑，可以说其为未来的发展前景是比较广阔的。
二、隧道开挖及爆破对地表沉降的影响
（一）三台阶七步开挖法概述
该隧道主要采用三台阶七步开挖法进行施工，首先对上部弧形导坑进行开挖，之后在采用左右错位开挖的方式。采用三台阶七步开挖法进行施工时需要严格的遵循以下原则：支护强、勤测量[5]。针对岩石破碎甚至是断层的地段需要采用小导管预注浆固结措施来进行开挖。在数值模拟过程中可以将进尺的开挖数值模拟分为七个步骤来进行：第一，开挖上台阶，第二，开挖左中台阶，第三，开挖右中台阶，第四，开挖中台阶，第五，开挖左下台阶，第六，开挖右下台阶，第七，开挖下中台阶。
（二）开挖爆破对地表沉降的影响分析
为了探究开挖爆破对衬砌的影响，需要在衬砌上设置四个测点，测点距离掌子面的距离如下图1所示，通过研究分析得知，想要减少爆破对衬砌的影响可以通过控制爆心距等实现。
图1 隧道内测点布置示意图
三、控制地表沉降的有效方法
（一）对岩土体的性质进行改变
想要对岩土体的性质进行改变可以对隧道围岩以及地表采取加固处理的方法，进而保障隧道的稳定性与安全性。
（二）科学合理的选择施工方法
相关的实践研究表明，应用台阶法进行施工时提前预留成型的核心土能够对地表沉降起到一定的遏制，另外，台阶的长度对地表沉降也产生比较大的影响，主要表现为台阶的长度越大，地层就越软，那么地表发生沉降的可能性就越大。在应用三台阶七步开挖法时会在上台阶设置临时的仰拱，同时采用钢支撑让其闭合成环，采用此种方法能够在很大程度上降低拱顶与地表沉降的可能性[6]。
（三）加强初期支护
地表沉降的力度在很大程度上也受隧道初期支护的影响，加强初期支护能够有效的抑制地表的沉降。初期支护加强的方法比较丰富，一般情况采用长管棚措施效果比较佳。
（四）对地下水进行有效的控制
上文已经明确的阐述了地下水对隧道稳定性的影响，既然地下水对隧道稳定性产生很大的影响，那么想要保障隧道的稳定性需要严格的控制地下水的水量，尽量限制地下水的排放。（五）注重施工效率
提高施工效率能够有效的缩短地层应力的释放时间，甚至对开挖导致的应力也能有效的缩短，从而实现对地表沉降控制的目的。
结语
本文主要探讨了隧道开挖爆破对地表沉降的影响，并且基于数值模拟方法层面对地表沉降进行研究与分析，不仅如此还根据地表沉降的因素分析了有效控制地表沉降的措施，进而从科学理论层面上更好的指导大跨度隧道的开挖与爆破。
参考文献
[1]王更峰，熊晓晖，张永兴，王桂林.大跨小净距隧道合理开挖方法与支护参数对比研究[J].公路交通科技，2011，03：101-107.
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[3]王振飞，张成平，王剑晨，于富才，苏洁.新建地铁车站近距离上穿既有地铁区间隧道施工方案的选择[J].中国铁道科学，2013，05：63-69.
[4]章慧健，仇文革，赵斌，卿伟宸.大跨度四线铁路隧道的围岩稳定性分析[J].铁道标准设计，2013，10：93-96.
[5]朱正国，朱永全，吴广明，王锦涛，王道远，李新志.泥石流堆积体隧道围岩加固及施工方案优化研究[J].铁道工程学报，2013，11：75-81+87.
[6]张成平，张顶立，韩凯航，王剑晨.深圳地铁富水软弱地层工程性质及开挖后沉降特征研究[J].现代隧道技术，2014，04：113-120.
论文作者:姚飞
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第3期
论文发表时间:2018/7/2
标签：地表论文; 隧道论文; 围岩论文; 数值论文; 台阶论文; 地层论文; 方法论文; 《建筑学研究前沿》2018年第3期论文;