浅谈城市隧道施工对环境的影响

　　近年来，随着我国国民经济的飞速发展和城市建设规模的不断扩大。我国很多大城市己开始或即将开始大力开发地下空间。在繁华的市区修建地下工程不可避免的对周围环境产生很大的影响，严重时则会导致地下管线变形过大而破坏，这会对日常的居民生活、生产造成很大的影响。做好隧道施工前潜在问题的合理预测。以便在施工中做出比较合理的技术决策和应变措施。

　　一、城市地下管线介绍

　　地下管线是城市的“生命线”，是城市经济、社会发展的重要支撑，是城市赖以生存和发展的物质基础。我国城市地下管线包括供水、排水、燃气、热力、供电、通信、消防、工业管线八大类、30多种，构成了城市经济社会发展的保障系统。城市地下管线肩负着城市给水、排水、供气、供电、通讯等重要工作。近年来，随着我国经济社会快速发展，城市化步伐加快和城市功能的拓展，地下管线在城市建设和发展中发挥着越来越重要得作用。

　　隧道与地下管线的相互作用包括地下管线对土体的锚固作用和土体对地下管线的反作用两个方面。首先，在隧道开挖完成后，支护结构形成强度前的间隔时间段内，隧道处于一种临空状态，隧道开挖引起隧道周围一定范围内土体应力的变化，在应力调整的过程中，引起隧道周围土体的变形或破坏，随着隧道开挖其影响逐渐扩大。土体的变形是自下而上的，当土体变形传递到地下管线处，隧道施工引起的土体变形会在地下管线中产生附加应力和弯矩，进而引起地下管线变形。同时，地下管线对土体还有锚固作用，限制土体变形。地下管线变形的大小主要取决于土体和管线的相对刚度以及隧道在管线处产生的土体变形。当隧道掘进方向平行于管线延伸方向时，对管线的影响主要表现为周围土体对管线的轴向拉压作用;当隧道掘进方向垂直于管线延伸方向时，对管线的影响主要表现在管线周围土体纵向位移引起的管线弯曲应力增大及接头转角增大。

　　二、隧道施工引起的地表沉降的阶段分析

　　(一)微小变形阶段

　　当掌子面开挖到与测点距离相差1.0~1.5倍洞径时，隧道开挖就开始对地表产生影响造成一定范围的沉降。该段沉降量占总沉降量的15~20%。这种变形主要是掌子面的开挖引起地层内应力场的变化及土体中地下水的流失而造成的。

　　(二)变形剧增阶段

　　随着开挖工作面的推进，距测点相差1倍洞径及开挖面超过测点3倍洞径范围内，地表变形速率增长，变形量增大。该段沉降量约占总沉降量50~60%。这种变形主要是由隧道开挖造成边界条件的改变进而产生覆土层土体的扰动而引起应力的重新分布造成的。

　　(三)变形缓慢阶段

　　当开挖工作面超过测点3-5倍洞径时，变形速率减缓，变形量的增加变缓。该阶段沉降量约占总沉降量的15~20%。这种变形主要是在隧道支护封闭成环后，覆土的进一步压密造成的。

　　(四)变形基本稳定阶段

　　当开挖工作面距测点5倍洞径后，沉降增长缓慢，沉降曲线趋于平缓。主要原因是地层的变形趋于稳定。该阶段沉降量约占总沉降量的5~10%。

　　三、隧道施工引起土体和地表变形的影响因素

　　在修建隧道时，不可避免的对周边环境造成影响。经过分析归纳，以下总结了影响地表变形因素：

　　(一)地层土体特性的影响

　　隧道力学理论认为，浅埋暗挖隧道上覆地层己无自承载能力，荷载应全部由隧道结构来承担。但实践表明：不仅土层，即使是干砂，地层仍能形成自然载拱。土的特性决定了地表影响范围大，地表下沉值小于隧道拱顶下沉值，特别在砂层、砾砂层段表现更为突出。

　　(二)地下水的影响

　　隧道一般处在地下水位以下，开挖排水后地下水不断渗出，使地层持续失水，土层空隙及节理裂隙固结收缩，引起地表超前、超大范围沉降。

　　(三)地层应力释放的影响

　　由地层的收敛约束特性可知，随地层位移的增大，上覆地层施加到隧道结构上的荷载将减小。最佳支护概念就是在允许地层产生稳定的位移条件下，使支护结构所受的力最小。城市地铁隧道，尤其是浅埋暗挖隧道，为保证地表的变形得到控制，原则上不允许地表出现超越规定值的下沉而换取最佳支护，地层预加固、及时支护、封闭成环是超浅埋暗挖隧道的关键。可见，控制地层应力释放度是解决下沉及波及范围的关键。

　　(四)隧道作用的叠加影响

　　实践表明，已施加衬砌的隧道，当两隧道的中心线距>2.5D(D为隧道宽度)时，两隧道之间的相互作用减弱，但若中心线距=2D时，则其相互作用明显。对未衬砌隧道，当两隧道中心线距为5D时，可不考虑相互作用，但中心线距=3D时，则必须考虑其相互作用影响。很明显，若两平行隧道间距小，两隧道同时开挖对地层的扰动要大于单一隧道的开挖，会造成地层的突然松弛，出现大而且持续不断的沉降。两隧道的相互作用会使地表沉降有叠加效应。

　　(五)隧道施工工艺及现场操作不规范的影响

　　地表下沉是多因素的综合作用引起的，在地层特性一定的条件下，尽量采取措施，做到设计、施工与地层的藕合至关重要。严格按照施工工艺和操作规程施工对于控制地表沉降和防止施工事故发生是必须的。

　　四、隧道施工引起的土体扰动机理分析

　　土体施工扰动是指土木工程施工过程对周围土体的影响。随着结构物的密度增加和施工规模扩大，施工扰动对周围土体的影响越来越受到重视。

　　形成扰动的施工过程主要有成桩、基坑开挖、隧道开挖、地下连续墙等施工过程。施工扰动引起土体性质的变化主要表现在：应力改变、孔隙水压力或含水量的改变、土体结构改变、土体的化学成分的改变。土体结构改变在微观上表现为粒间相对位移，宏观上表现为弹性模量和剪切模量等物性参数的改变，土体的弹性模量和剪切模量与土体粒间位移有关。因此土体微观结构改变体现了土体应变状态的改变。施工扰动对土体的影响可以概括为两个方面，即应力状态和应变状态。对应力状态的影响主要表现为孔隙水压力变化。

　　城市隧道施工引起地层变形，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再固结造成的。地层损失是指隧道施工中实际开挖的土体的体积与竣工隧道体积之差，隧道竣工体积中包括隧道周边包裹的压入浆体体积。一方面隧道周围土体在弥补地层损失中，发生地层移动，引起土体变形。另一方面在含水地层中进行隧道施工时，可能引起周围土体内部孔隙水压力的变化，使土体发生排水固结引起土体变形，而且土体的蠕变也导致土体发生一定的变形。隧道上覆地层的竖向沉降是由开挖后的地应力释放、地层损失引起的。对于暗挖法则为开挖后、支护结构达到强度要求前的时间段内隧道上方一定范围内土体向隧道内空移动所引发的地层整体变形。

　　隧道开挖引起的地表及周围土体的变形是一个非常复杂的过程。首先，隧道开挖后引起隧道周围一定范围内土体应力的变化，在应力调整的过程中，引起隧道周围土体的变形，随着隧道开挖其影响逐渐扩大，最终通过土体传递到地表。由此造成开挖体周围及前方土体中的应力集中，当其超过土体强度后即发生破坏，继而产生较大的变形。而土体的变形是自下而上的，由隧道拱顶传递到地表，隧道开挖过程中，由于在隧道开挖完成之后，支护结构形成强度之前的间隔时间段内，隧道处于一种临空状态，隧道周围土体产生位移变形，进而传递到地表。在这个过程中还伴随有土体失水固结和地层压密等。

　　结语：通过对隧道施工所带来的环境影响分析，不难看出，在隧道施工过程中，做好事前的必要分析研究有助于减少城市环境破坏的目的。

　　参考文献

　　[1]杨晓杰等.城市隧道施工引起的地表沉降数值模拟研究[J].矿山压力与顶板管理，2005年

　　[2]韩煊，李宁.隧道开挖不均匀收敛引起地层位移的预测模型[J].岩土工程学报，2006年

　　[3]韩煊，李宁.隧道衬砌变形引起的地层位移规律探讨[J].西安离宫大学学报，2007年