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城市隧道施工诱发的地面塌陷

来源:中国职称论文咨询网作者:kaiting时间:2018-08-29 15:39

  摘要:文章对当前城市隧道施工作业塌陷灾变的现状以及危害进行了分析,然后对引起地面塌陷灾变的机制进行了深入探究,并在此基础上提出了相应的改善措施,旨在提高国内隧道施工活动的安全性与有序性,促进交通运输建设事业的发展。

  关键词:城市隧道施工;地而塌陷;安全事故;灾变机制;统计分析

  0引言

  我国地形复杂,道路交通建设中会遇到很多隧道施工作业。隧道施工活动是在山体下进行的,因此随时存在安全危险。同时,隧道施工作业进行的过程中还会引起山体崩塌、滑坡等地质灾害。这种诱发性灾害事故不但会造成巨大的经济损失,对施工人员与当地群众的生命安全也是极大的威胁。为了确保隧道施工的安全性与有序性,必须认真分析隧道施工中地面塌陷灾变的机制,掌握事故发生的规律,有针对性地提出控制措施,减少城市隧道施工过程中地面塌陷事故发生的几率。

  1隧道施工诱发的地面塌陷灾变机制问题

  1.1隧道施工诱发的地面塌陷灾变现状

  从有关一些新闻报道与业界信息可以看到,随着隧道施工项目的逐渐增多,隧道施工作业中出现了各种程度的地表塌陷问题和事故。在城市道路建设中有很多路段需要开挖隧道,多数隧道工程所处地地理环境复杂,水文地质条件险恶,在施工过程中稍有不甚就会出现塌陷等灾害事故。例如首都北京地铁网的建设引起的京广桥地带地面的塌陷事故,苏州城市道路建设引起的局部街道塌陷问题等等接二连三的地面塌陷灾变事故都有相关的新闻报道。[1]由此可以看出城市交通建设事业的发展伴随着很多危险事故的发生。

  1.2隧道施工诱发的地面塌陷灾变危害

  城市交通建设中,因为隧道施工作业引起的地面塌陷事故对城市经济发展与城市居民的人身安全具有极大的威胁。首先,隧道施工的过程中如果出现地面塌陷问题,不但影响工程整体进度而且会造成城市交通拥堵,影响市民正常生活;其次,隧道施工引起的地面塌陷会优化周围建筑物的倒塌,带来次生灾害危害将不可预估,势必会造成一系列交通事故与人员伤亡事故的发生。[2]所以,城市隧道施工优化的地面塌陷事故危险系数极高,为此我们必须要保持高度警惕。

  2城市隧道施工地面塌陷机制分析

  在城市隧道施工过程中出现的地面塌陷事故,虽然诱因复杂,但是也是有规律可循的。从有关的数据统计分析中,地面塌陷事故的形成过程主要有以下几种类型:①由于施工活动引起上表底层稳定性遭到破坏出现地面塌陷;②由于隧道施工作业,原有的不良地质层受到破坏,引起的地面塌陷问题;③由于施工操作不当引发管道渗漏问题恶化,进而导致地面塌陷出现。前两种属于施工作业直接引起的事故,后两种属于施工活动中的次发事故[3]不管是哪一种方式都有一定的演变机制与规律可循。

  2.1隧道施工直接导致的地面塌陷

  根据普氏理论的观点,隧道施工活动所处地岩层为有一定固结力的松散岩体,在开挖过程中,如果没有采取任何支护措施那么隧道岩体稳定性将会发生由内而外的破损。当上覆岩层有一定的厚度的时候,隧道塌方到某个程度,岩体便会形成一个相对平衡的压力拱[4],围岩结构的破损会有一个暂停将不再继续发生破损。普氏理论的适用性也有一定的限制。当地下洞室的深度不大的时候,通常不会初选压力拱形式,理论的适用标准为:h≥ah*

  公式中:h代表隧道拱顶上岩体的厚度值;h*代表着理论中压力拱的高程;a是有效高度值,通常情况下范围2~2.5之间。根据普氏压力拱的有关理论依据,能够更好地对隧道施工作业中诱发地面塌陷事故的机制进行探究。在隧道施工中,尤其是在大断面隧道开挖的施工活动中,施工作业要分成好几段来进行,这也是一个小断面演变到大断面的过程。在没有任何支护措施的情况下,小断面的开挖,岩体压力拱的高度与表层岩体的厚度之间的关系要符合上述公式的标准。所以,隧道围岩中能够产生相对比较稳固平衡的压力拱,如图1(a)~(c)所示的内容,在隧道施工中出现了小断面到大断面的变化。图中1h*是稳固型压力拱1的高度;而2h*是稳固型压力拱2的高度;h*cr是临界型压力拱的高度。

  在隧道作业持续前进的同时,岩体断面也在不断扩大,同时岩体形成的压力拱的高度也在逐渐升高,由此可以总结出:岩体出现的压力拱的高度与隧道开挖的进程保持同样的趋势。整个过程处于一种→破坏→形成的循环的动态关系中,同时后一级压力拱的高度和跨度要都要超过前一个拱。

  在这里假设隧道上覆岩体的厚度和受力参数值不会随施工进程发生改变,从上述公式中可以看出,隧道围岩岩体中将会出现一个临界型的平衡压力拱。这个压力拱发生破损之后,就不会有另一个压力拱的出现。如果不在第一时间采取支护或者加固措施,那么围岩顶层就会出现松散、冒落失稳的问题,最终诱发严重的地面塌陷问题。随着隧道塌方的出现,隧道断面也处在一个由大到小不断扩张的过程中。这些都是普氏理论所表现的。

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  2.2不良地质对隧道施工作业的影响

  隧道施工作用中遇到的不良地质环境是指底层中出现的空洞。为了避开这类不良地质条件,项目工程在设计之初就应该做好全面勘察工作。在具体的施工活动中,要对隧道作业会给空洞带来的破损等级进行评估,并根据评估结果确定有效的防止塌陷问题出现的技术措施。根据实际情况,因为隧道中的空洞出现的地面塌陷事故,其本质是在空洞受损后,隧道围岩各个岩体之间的力学平衡被打破了。通常情况下空洞受到的破损主要是由隧道施工作业不当引起的。例如,隧道开挖作业中,仪器设备的运行会产生震动,周围岩体容易受到剧烈震动的影响,空洞上方的岩体结构就会发生松散、脱落,岩体的厚度就会越来越小。随着岩体的变薄,围岩压力拱就会丧失负载力,影响了空洞结构的稳定性,地面塌陷事故由此而发。

  图2是某市地铁隧道施工作业中遇到的岩层空洞图,假设当时没有执行隧道开挖施工,该底层空洞就不会受到施工活动的干扰而发生灾变,而是会一直处于稳定的底层之中。但是相邻隧道的开挖,肯定会对该底层空洞产生作用力,所以原有的地层结构中不稳定的岩体就会发生松散、脱落,并导致邻近空洞岩体出现同样的问题,甚至引发空洞断面不断扩大,最终两只空洞被迫打通。按照上文中普氏压力拱理论的内容,在空洞断面达到某一临界点的时候,空洞上覆岩层的拱结构会受到破损而无法形成新的平衡拱,地面塌陷灾变事故由此发生。

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  2.3管道渗漏引起的地面塌陷事故

  国内大中小城市的地下管线错综复杂,而且存在着的排泄管道设计不合理,渗漏严重的问题。从已经发生的众多道路施工项目的塌陷案例中可以看到,管道渗漏很容易引起那些已被扰动的围岩结构中出现流砂物质,而且会在管道周围结构中产生水囊或空洞结构。在隧道附近的管道施工作业中,施工作业产生的受力会使得管道渗漏问题更加严重,还有可能会引起管道的彻底断裂和严重破损,产生的地下涌水夹带地层颗粒会掏空岩层,从而优化底层结构的破坏,造成大面积塌陷事故的发生。

  3城市隧道施工地面塌陷控制

  从上文论述可以看到,在城市隧道施工作业中,引起地面塌陷事故的因素十分复杂。但是任何一个复杂的现象都是有规律可循的,从它的形成规律中我们可以总结分析出具体的应对策略。对隧道施工作业中的地面塌陷灾变的预防是一个具有系统性的工程。从相关的统计报道可以看到,引发地面塌陷事故的主要原因是不良地质环境和地下管道渗漏,在这里论文将以A市地铁工程为研究对象,对该工程中地面塌陷控制措施进行探究。

  3.1不良地质体应对措施

  在城市隧道施工作业中遇到不良地质环境要采取综合性控制措施,主要有以下两个技术方法:第一,加强施工前期的地质情况勘测力度;第二,明确不良地质环境的特点,有针对性地选择加固、改善措施。以A市地铁工程的开展为例,施工单位首先进行了不良地质体的检测,在此之后对工程项目所经之地岩土松散、含水量过大和土层中的空洞区进行特殊加固:

  ①在岩层比较松散的的路段,底层属于回填及杂填层的为多数,由于具有埋深浅显的特点。所以在打孔埋设注浆管的时候可以使用注浆加固的技术手段。

  ②含水量较大的路段,水量主要来源于上层积水以及地下管道的渗漏。而且,含水量较大的路段大多是渗漏管道居多数的区域。在隧道开挖之时要对区域内水源的补给进行准确的定位,判断周围管道对工程施工的限制。如果在施工作业中遇到雨、污水排泄管道出现泄露的问题,应在第一时间内对管道进行清理和防渗泄控制;如果是自来水管线,就应该立即采取措施将破损的地方修补好。完成管道修补防泄工作之后,还要向下打孔,一直达到砂层岩体,铺好注浆管道把蓄积的水量引导该层,排干浅层积水。[5]经过排水处理之后的岩层,地质仍然湿软,所以必须要进行稳固性处理。

  ③地层空洞的产生,主要过程是地下岩层结构回填不结实、地下管道渗漏过于严重,相邻岩体被过度冲刷而形成。对存在空洞的岩层,可以通过水泥注浆的方式完成填充并起到加固稳定的作用。为避免空洞岩层相邻围岩的浆液量过度扩散,对空洞区域外边缘部分注浆导管内压注水泥-水玻璃双液浆,以达到控制注浆量与注浆时间的作用。[6]

  3.2地下管道安全控制措施

  3.2.1对隧道施工场区的管道分布状况进行全面把握

  为了更好地控制地下管道的安全性,首先要在隧道施工之前对整个厂区的管道铺设与使用状况进行全面的分析。因为地下管道所属单位机构以及铺设错综复杂,所以经常会有一些管道被长期忽略不管,所以施工单位无法对其运行状况有全面的了解。面对这一难题,在条件允许的情况下要对施工场区地下管线进行探查。主要有以下几个措施:明显管线点实地调查、隐藏管线点物探查和开挖调查,具体使用哪一种方法根据隧道开发工程的需求来定。

  3.2.2采取合理的管线修护及加固措施

  根据管线探查的情况,综合分析施工地区水文地质环境、施工技术手段,管道的综合性能、使用寿命、材料规格、连接模式等因素,以地下管道受力和变形程度为底线,对地下管道的受力能力进行评估,然后进行管道变形受损控制方案的编订,以保证隧道施工作业的全程中,地下管道的正常运行不会受到任何影响。对于存在严重的泄露或者积水的管道线路,必须要在第一时间采取措施。对于没有达到安全标准的管线,在施工中要做好支护加固工作,增强管道抗变形,抗破损的性能。对于会给隧道施工带来危险的管道,在施工作业开始之前通过注浆的技术手段进行加固(见图3)。

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  3.2.3采取综合性管道线路监控法对地下管道线路的监控主要有两种方法。第一种是直接测点,则是通过安装一些仪器设备对管线的沉降幅度进行测量,仪器设备的安装必须要将管道上覆盖的图层挖开,所以操作起来比较麻烦,而且会引发安全事故。通常情况下,对一些特别关键的管道进行动态监控的时候才会采取这种方式。一般仅在特别重要的管线监测时采用。所以,一般情况下,直接检测点的设置实际上可实施性并不大。为了将地下管道沉降状况真实地反应出来,只能选择综合性的管线监测(如技术图4)。该种方法首先要确定待监管的管道线路,在同一点位上同时布设直接监测点和间接监测点(地表沉降点),结合相关理论与实际检测到的信息数据进行分析,获得同一点位直接监测点和间接监测点之间的关系,作为判断管道真实沉降幅度的依据。

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  4结语

  综上所述,由于大部分隧道施工作业耗时长,施工技术要求高,施工难度大,危险系数高,此外隧道施工活动还有可能优化山体滑坡、山体塌方等灾害事故。这类次发性灾害会引起不可估量的经济损失与人员伤亡,违背施工经济性原则与社会主义建设事业的发展。所以业界工程项目设计人员与施工人员必须总结分析事故发生的规律,寻找施工中存在的问题,探究地面塌陷灾变机制,采取有效措施控制事故发生的几率。

  参考文献:

  [1]詹超宇.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析[J].交通世界,2016(35):100-101.

  [2]秦彬.关于隧道施工诱发的地面塌陷灾变机制及其控制分析[J].四川水泥,2016(03):30.

  [3]王石光.隧道施工诱发的地面塌陷灾变机制及其控制[J].科技展望,2016,26(05):30.

  [4]吴贵毅.隧道施工中地面塌陷的原因及其控制[J].城市建筑,2013(10):269.

  [5]王国斌.沪蓉西高速公路乌池坝岩溶隧道涌水成灾机理研究[D].中国地质大学,2012.

  [6]苏小敏,兰天仕.打括隧道浅埋暗挖及穿越民房段预防地表塌陷施工技术[J].企业科技与发展,2012(02):32-35.

  [7]张成平,张顶立,王梦恕.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制[J].岩石力学与工程学报,2007(S2):3601-3608.



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