我们重点分析了影响地表沉降变形的主要因素，并举例说明他给我们隧道开挖地表带来的安全问题，为我国的隧道开挖提供资料。

标签： 隧道开挖;地表沉降;影响因素

隧道施工地表移动与变形的发生主要是，由于施工引起的地层损失和施工过程中隧道周围受扰动或者受剪切破坏的重塑土的再固结所造成的。国内外众多学者都对隧道施工引起地表沉降的机理有较深的研究，对地表沉降变形规律的认识也不断加深，并且取得了很多有意义的成果。

一、影响地表沉降变形的主要因素

隧道在开挖过程中，必然会引起地表沉降变形。引起地表沉降变形的因素较多，主要有以下几个方面：

（一）地层土体特性

隧道衬砌结构和路面沉降变形很大程度上受自然拱影响，隧道最小埋深与土层自身力学特征是隧道开挖能否形成自然拱的关键。若形成自然拱，地表沉降量就小一些;反之，会大一些。隧道拱顶下沉、地表沉降大小和地表沉降影响范围大小也随着土层特性变化而变化。如隧道开挖时不可避免扰动近处围岩，引起拱顶沉降。为了弥补地层损失，远处土体会产生松动变形，造成小范围坍滑区，这种趋势会扩散至地表;土体失水后易引起固结重塑，会造成较大沉降量。而在保持最佳含水量时，即使土体颗粒空隙率较大，引起的沉降也不会太大。

（二）地层应力释放

当隧道上覆地层沉降变形在工程实际情况允许范围内时，采用最为合理的支护措施是能够使隧道结构受到的影响降到最低。在这种情况下，根据土体收敛约束特性可知，即使土体位移增加，隧道衬砌结构受力将基本保持不变。对城市道路隧道尤其是双线近距隧道，基本上不允许其地表沉降变形超过控制值，避免影响周围建筑物和管线安全。为此，要采取多项技术措施，如地层预加固、及时支护和快速封闭成环等。当地表沉降变形持续增加、土层应力逐渐释放时，对于孔隙率较大并且可能发生坍陷的土层，会因循环叠加效应引起较大的沉降量和沉降范围，诱发更大更广的坍陷区。

（三）隧道间距

国内外众多学者研究认为，当双线平行隧道间距大于或等于3倍隧道直径宽度时，开挖时可以不考虑彼此的影响，反之，则必须考虑两者的相互作用。因此，若双线隧道间距过小，开挖引起的地层扰动将会比单线隧道开挖更为复杂，结果往往会引起地层的坍滑松弛，变形也会持续不断增大。对地表沉降而言，两隧道相互作用会使地表沉降有叠加效果。

（四）施工方法

相对于众多城市道路隧道施工法，台阶法是工艺较简单、成本低的方法，但往往会引起地层产生较大的沉降变形，如和CRD工法相比大约高出一倍。国内外在通常情况下常采用台阶法开挖单线隧道，大量工程实践表明，若采取合理的支护措施，便可以较好控制地表沉降。台阶法有很多形式，应根据不同的地层条件和断面形式科学选取。维持开挖面的稳定是应用台阶法的重点，要注意台阶长度和台阶形状两个因素。台阶长度越短，开挖面愈容易失稳，因为土体的压缩性和流动性增大，反之开挖面越容易保持稳定。

（五）开挖进尺

开挖面稳定性好，开挖进尺便可以适当增加，无需支护的工作空间增大。但隧道周围土层软土含量较高时，必须缩小开挖进尺，及时支撑，因为软土质开挖面稳定性较差。一些学者经过研究认为，当开挖进尺小于0.2D（D为隧道开挖直径）时施加于开挖面的支撑力无需太大，若大于0.2D，施加于开挖面的支撑力就要增加，否则开挖面会发生坍滑现象。因此，必须高度重视开挖进尺的选取工作，对于埋深较浅、含软弱土层或者多孔间距较小的隧道，应科学分析、谨慎选取。

二、举例阐述

（一）工程概况

某市地铁一期工程（3号线）某区间隧道，为左右线分建的单线单洞马蹄形隧道，隧道洞身穿越地层主要为强风化至微风化花岗岩地层，岩体破碎、软硬不均，部分地段上软下硬，隧道埋深10～25m，隧道附近穿越F2老虎山断裂带。地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，富水性一般贫、局部中等，具有弱承压性。隧道位于某交通要道下，交通繁忙。沿线楼宇较多，均为多层，浅基础，对地铁隧道施工影响不大。

（二）不同台阶长度对地表沉降影响

采用台阶长度0.25D做基准，每次开挖2m，在下台阶开挖到8m（即D）的情况下，台阶长度为0.5D、0.75D、1.0D时，最大地表沉降分别增大了-1.86mm（26%），-2.97mm（42%）和-3.59mm（51%）。最大拱顶沉降分别增大了-4.27mm（13%）、6.09mm（19%），-6.69mm（21%），下台阶开挖到8m（即D）时的如图表1所示：

表1

采用台阶长度0.25D做基准，每次开挖2m，在下台阶开挖到16m（即2D）的情况下，台阶长度为0.5D、0.75D、1.0D时，最大地表沉降分别增大了-1.66mm（18%），-2.48mm（24%）、-2.82mm（28%），最大拱顶沉降分别增大了-4.18mm（13%），-6.02mm（18%），-6.62mm（20%）由此可以看出，台阶长度越大，地表沉降最大值和拱顶沉降最大值增速越明显，因此短台阶施工对控制地表沉降有利。下台阶开挖到16m（即2D）时的图表如下表2所示：

表2

台阶长度的大小对于洞室的稳定性和控制地表沉降有重要作用，在能够保留必要的作业空间时，台阶长度应尽量短些（D为洞室宽度）。这是因为短台阶初次支护全断而闭合时间短，及时封闭成环，使支护和围岩共同作用形成联合支护体系，改善了初次支护的受力条件，有效的发挥支护体系的作用，从而控制围岩变形和地表沉降，保证隧道稳定。

（三）不同开挖进尺对地表沉降影响

在实际隧道施工过程中，采用台阶法施工时，开挖进尺长度对围岩变形和地表沉降有很大影响。为研究开挖进尺长度的影响，取开挖长度分别为2m、4m时进行分析，D为8m，台阶长度为8m保持不变，纵向开挖24米，模型纵向长度为34米，后10米为消减边界效应对开挖的影响。每次开挖进尺2m，开挖完成后及时支护，下台阶和上台阶之间的台阶保持8m，开挖支护到24m处。每次开挖进尺2m，上台阶开挖进尺过程中，地表沉降和拱顶沉降变化情况如下表3所示：

表3

每次开挖进尺4m，开挖完成后及时支护，下台阶和上台阶之间的台阶保持8m，开挖支护到24m处。每次开挖进尺4m，上台阶开挖进尺过程中，地表沉降和拱顶沉降变化情况如下表4所示：

表4

每次开挖进尺8m，开挖完成后及时支护，下台阶和上台阶之间的台阶保持8m，开挖支护到24m处。所以某土岩组合地层区间隧道为背景研究隧道开挖中地表沉降的影响因素，得出以下结论：台阶长度的大小对于洞室的稳定性和控制地表沉降有重要作用，在能够保留必要的作业空间时，台阶长度应尽量短些。开挖进尺较小时，可以很明显的减小地表沉降和拱顶沉降量。

总之，大量城市道路隧道的成功建设使得城市形成以地面、地上和地下相互协调发展的立体综合空间，在根本上改变了城市空间结构，加大了城市空间的利用率，对“城市综合症”的缓解，取得了一定的效果。但是隧道在施工过程中无论采用何种工艺，都不可能避免引起地表沉降变形。

参考文献：

[1]张澎涛.隧道开挖地表沉降影响因素分析[J].河南科技，2013，11：141-142+206.

[2]徐耀文.城市道路隧道開挖地表沉降预测研究[D].长沙理工大学，2013.下载本文