城市地铁隧道与周围土体之间相互关系的研究

城市地铁隧道与周围土体之间相互关系的研究近年来，随着城市化进程的不断发展，世界各国主要大中型城市的规模逐渐扩大，城市人口急剧上升，现有的城市交通设施已经无法满足人们的出行要求，交通的堵塞已经成为大多数城市普遍存在的问题。考虑到城市可利用空间越来越小的现实，合理地开发利用地下空间是一条非常有效的途径。国际上一些学者预言“21世纪是地下空间开发利用的世纪”，并预测21世纪末将有三分之一的世界人口生活在地下空间，而城市地铁交通以其运量大、速度高、低污染、不占地面空间、低能耗、乘坐方便、安全舒服等特点，越来越成为解决城市交通拥挤的首选。尽管国内外的地铁建设日新月异，地铁也拥有众多的优点，但是地铁隧道开挖方法与支护形式会对地层变形带来一定的影响，也会引发一些环境问题:如地铁隧道开挖带来的地表沉降，地铁运行引起的环境振动。由于城市地铁隧道工程是在岩土内部进行的，因此城市地铁隧道周围土体的地质情况对隧道开挖及其支护形式也都有一定的影响。1、地铁隧道的开挖与支护对地层变形的影响在进行隧道施工时，隧道周围的土体必须有所变动，所以隧道上方及其地表的不均匀变形就是一个不可回避的问题，尤其是在建筑物、道路和地下管线密集的城市地区。虽然隧道施工技术随着盾构机性能的改进有很大发展，但施工所引起的地层变形仍不可避免。在城市市区用盾构法修建隧道引起地层位移的主要原因是施工中的地层损失，即隧道施工中实际开挖土体体积和竣工后隧道体积之差。综上所述，地铁隧道施工过程中,不管其采用哪种开挖方法和支护形式，周围土体都会受到扰动，主要表现为地层的变形，包括应力状态的变化和应变状态的变化。应力状态的变化是指总应力和孔隙水压力的改变,总应力变化是由于开挖卸荷和土拱作用引起的；孔隙水压力变化则是由于地铁隧道开挖过程中土体受挤压作用和地下水位变化引起的。地层应变状态的改变是由于应力扰动引起的土体压缩和弹塑性变形,以及土体蠕变产生的时效应变。隧道开挖时土体卸荷的程度随着沿隧道径向土体位移的增大而增加（图1左半段曲线）。当隧道支护受力与土体卸荷达到平衡时，隧道周围土体将不再卸荷，如果软土隧道不进行支护,土体持续卸荷,则最终将导致土体破坏,隧道坍塌。因此,软土隧道支护必须及时，否则就不能充分利用有利的土拱作用,使支护结构得以承担上复土层的自重和后续产生的流变压力。地铁隧道开挖引起的地表位移沿开挖前进方向可以分为五个不同的区段来看待，如图2所示。Ⅰ为初始沉降；Ⅱ为开挖工作面前方的沉降（土体隆起）；Ⅲ为开挖通过的沉降；Ⅳ为盾尾空隙沉降；Ⅴ为土体次固结沉降。初始沉降是由于盾构掘进扰动土体前方一定距离外压使孔隙比减小而引起的；工作面前方的沉降（隆起）是正面土体受挤压而向上隆起以及孔隙压力增加引起的；盾构通过时的沉降是由于土体扰动和盾构与土体之间的剪切错动引起的；盾尾空隙沉降是土体脱离盾构支撑后应力释放引起的；土体次固结沉降是由于土体扰动,://://变形随时间而增长引起的。2、隧道周围土体地质情况对隧道开挖与支护形式的影响隧道设计与施工之前,要对拟建隧道工程地段的地质条件进行详细勘察,但由于岩体的复杂性,使得勘察所获得的资料与隧道开挖后实际揭露出来的情况可能会有较大的出入。由于对掌子面前方地质条件了解不清,隧道施工就带有很大盲目性,施工中经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故。这些事故一旦发生,轻则影响工期,增加工程投资,重则砸毁机械设备,甚至造成人员伤亡,而且事故发生后的处理工作难度较大。因此应根据隧道周围土体的地质情况对隧道的开挖方法与支护形式进行选择。如何解决这一难题,备受世界各国隧道工程界的关注,隧道施工地质超前预报正是在这种情况下提出的。隧道施工地质超前预报,就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料,并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究,从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。隧道周围土体地质情况如断层构造及断层破碎带,煤层、瓦斯、天然气、硫化氢赋存条件,采空区状况,岩溶、空洞、裂隙及其规模和充填情况,地下水赋存状态及可能突水、涌水的位置以及水量的大小和软弱围岩及不同类别围岩的界面等都会对隧道的开挖与支护形式产生影响。目前超前地质预报最为经常采用的方法为TSP法，TSP探测系统是通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中施以微型爆破来发射信号,爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播,其中一部分向隧道前方传播,经隧道前方的界面反射回来,反射信号经接收传感器转换成电信号并放大。其探测原理如图3所示。现结合超前地质预报，以六盘山隧道为实例来阐述地铁隧道地质情况对隧道开挖与支护形式的影响。根据六盘山隧道TSP203使用效果统计，目前六盘山隧道已经做了156次，通过与实际开挖情况对比得出TSP203预报准确率为57％，这里所说准确是预报结果和实际开挖露出的地质情况，地下水情况一致，具体统计情况见表1。其中相对准确是指预报结果与实际开挖露出工程地质情况、地下水情况有些出入，但规模较大地质异常体预报准确；不准确是指预报结果与实际开挖露出工程地质情况、地下水情况差异较大。从表1我们可以看出，这些数据说明TSP探测在六盘山隧道超前地质预报工作中的准确度相对均比较高，TSP探测预报工作比较成功，有效的为六盘山隧道的施工安全和施工方案制定提供了有力的技术支持。六盘山隧道超前预报的效果证明，TSP203预报掌子面前方的断层、软弱夹层、破碎带、截面大于掌子面且位于掌子面前方的溶腔时，当这些不良地质体与隧道以大角度相交且有较大倾角时，能取得较好的预报效果。在隧道的580-590ｍ段、610-620ｍ段中，我们可以看到这些不良地质体与隧道大角度相交，当时预报结果是岩体破碎，节理裂隙发育，地下水发育，后来实际开挖情况和我们预报的基本吻合。对不符合以上条件的不良地质体，如没有横切掌子面的含水溶腔往往达不到预期的效果。六盘山复杂隧道开挖过程中出现的多次涌、突水和沿隧道侧壁发育的溶腔说明了这一点。当富水带或重大不良地质体等地质灾害越临近掌子面，则预报的准确率相应提高，如工程中推断820-807m段、797-784ｍ段为富水区，实际开挖情况证明了其准确性。表1六盘山隧道TSP203使用情况随着我国国民经济的高速发展，城市化进程不断加快，人口越来越向大城市集中，从而要求城市必须不断扩大其规模以适应城市人口的急剧增加。城市的扩展必将占用大量的耕地，而我国人口众多，人均耕地面积占有量相对匾乏，无限制地占用耕地资源来扩展城市空间是我国地土地资源无法承受的。另一方面，经济与社会的发展对城市集约化程度和提高效率的要求也越来越高，要求城市的平面布局不能无限制地扩大。这些因素迫使城市加快建设地铁隧道的步伐，但地铁隧道不可避免会引起地层的扰动，导致隧道周围地层变形及引起地表沉降。当地层运动超过一定限度时，会危及周边建筑物、构筑物、道路、管线和文物等的安全与正常使用，从而引发环境土工问题。因此必须深入研究地铁隧道与周围土体之间的相互关系，尽可能准确地预测隧道施工引起的地面沉降和对附近地下结构设施的影响程度，以及在设计和施工中根据隧道周围土体的地质情况选择最佳的施工技术，制定一套完善的措施。