郭龙慧
面对越来越多地下工程建设的发展趋势,如何在开挖过程中有效地控制开挖引起的地表沉陷以保护工程沿线建筑物的安全,已成为城市地下工程必须解决的一项重要课题。因此,隧道施工过程中,了解施工可能导致对周围建筑物的损害,即在地表变形预计的基础上,有准备的在施工过程中进行量测监控,根据隧道施工对于周围环境影响程度的评价方法及指标进行判断,通过影响评价结果,针对性的提出减少开挖对地表建筑产生不良影响的技术措施。
1 隧道开挖引起的地表损害形式
隧道开挖施工引起的对建筑物的损害,常见的可以从下列形式表现出来:1)地表均匀沉降损害。地表的均匀沉降使建筑物产生整体下沉,一般来说,这种均匀沉降对于建筑物的稳定性和使用条件不会产生太大的影响,但过量的地表下沉,也有可能带来严重后果。2)地表倾斜损害。地层不均匀的沉降所致的地层倾斜改变了地面的原始坡度,将可能对建筑物产生危害。地表倾斜对于高度大而底面积小的高耸建筑物的影响较大。3)地表曲率损害。由于曲率使得地表形成曲面,地表曲率对建筑物有较大影响。在负曲率(地表相对下陷)的作用下,建筑物的中央部分悬空,使墙体产生正八字裂缝。如果建筑物长度过大,则在重力作用下,建筑物将会从底部断裂,使建筑物破坏;在正曲率(地表相对上凸)的作用下,建筑物的两端将会部分悬空,使建筑物墙体产生倒八字裂缝。4)地表水平变形损害。地表水平变形有拉伸和压缩两种,它对建筑物的破坏作用很大,尤其是拉伸变形的影响,建筑物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力,压缩变形使墙体产生裂缝,并使纵墙褶曲,屋顶鼓起。
2 控制措施
1)改善围岩特性。众所周知,目前所有的开挖方法及支护方式都是紧紧围绕着岩性展开的。从设计的角度来说,尽量避免隧道穿越围岩条件较差地段,但由于其他条件的限制而穿越时,首先就应该提高围岩的属性。在进行以上数值模拟时,我们是通过调节 c,φ来完成的。注浆后,粘聚力c提高了原来的 30%;φ对地表沉降的影响不大,在计算时其值可不变,也可以提高一级围岩的参数。现在Ⅳ围岩条件下进行分析。
表1 不同部位注浆对地表沉降的控制效果
从表 1中看出:没有注浆时,地表下沉达 13.72mm,边墙注浆后,地表下沉减少了 2.55mm,但仍达到 11.17mm;拱部注浆效果明显,地表下沉减少了 5.48mm,下沉量仅为 8.24mm;拱部边墙都注浆后,地表下沉减少了 6.89mm,下沉量减少到 6.83mm。虽然增强了边墙注浆,但较单纯拱部注浆,减小地表沉降的效果不明显。
2)增大隧道埋深。在条件允许的情况下,隧道设计时增加隧道埋深,是减少地面沉降的有效途径。并且增大隧道埋深,围岩自稳能力较好,所需衬砌支护较少,而且隧道埋深较大可以减少洞室开挖爆破及隧道运营时引起的地面振动和噪声。从这点意义上说,城市隧道施工,较大的埋深其优越性较大。
从图 1可知,随着埋深的增加,沉降曲面变浅变宽,曲线的倾斜斜率减小。从洞室稳定的角度来说,隧道埋深的增大,围岩具有自承拱能力,减少了作用在隧道支护上的力;从地表建筑的角度来说,建筑的破坏主要是隧道开挖过程中的不均匀沉降,隧道埋深的增大,曲线的倾斜斜率减小,有利于上覆建筑的安全。
3)合理确定开挖进尺。对城市地铁尤其是软弱地层隧道,开挖进尺必须根据地层特性来确定。
从图 2可知,减少每次开挖进尺,能够减少地表沉降量。以开挖进尺 1m为地表沉降的基准,开挖进尺为2m,3m时,最大地表沉降分别增大 45%和64%。由此可见,采用较短进尺对地表沉降的控制很有利。因此尽量采用不超过 0.25D的短进尺。
4)加强初期支护。在软弱破碎及不稳定的地层中采用浅埋暗挖法施工时,利用混凝土喷层作为隧道初期支护对保证开挖后隧道的稳定性、减少地表沉降都具有一定作用。不同的喷层厚度对地表沉降进行分析,结果见图 3。
表2 不同喷层厚度的支护效果
从表 2中看出:利用混凝土喷层作为隧道初期支护对保证开挖后隧道的稳定性、减少地层扰动和地表沉降,都具有一定作用,厚度超过 30 cm。但仅增大喷射混凝土厚度来控制地表沉降是不够的,也不经济,还要考虑超前支护及钢架。
初期支护施作后,支护本身有一个徐变过程。对超前支护,一般采取增大小导管直径、减小布置间距、扩大注浆范围和严格注浆等措施加强。对型钢钢架,可适当缩小拱架间距;在间距一定时,选用大截面钢架,根据工程需要选择拱部、拱墙、全环加强支护,从而增大支护初期刚度。
3 结语
围岩条件是地表沉降的根本因素,选择适合的隧道埋深、开挖进尺、支护措施对地表沉降的控制也起到决定性的作用。基于此,在隧道设计之初,就应该尽量避免隧道穿越围岩条件较差地段。但是由于其他条件的限制而不得不穿越时,首先就是要考虑施工方法、开挖进尺,减少施工对围岩的扰动,通过注浆改善围岩特性,另外就是以强支护来控制地表沉降。
[1]阳军生,刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北京:中国铁道出版社,2002.
[2]刘宝深,阳军生,张家生.露天开挖及疏水引起的地表移动及变形[J].煤炭学报,1999(1):95-96.
[3]周小文,淮家骆.砂土中隧洞开挖引起的地面沉降试验研究[J].岩土力学,2002,23(5):559-563.
[4]耿峦峰.单拱四车道公路隧道全断面开挖力学特性分析[J].山西建筑,2009,35(4):324-325.
