鸿恩寺电缆隧道BK0+355段路面塌陷原因分析及处理措施
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[摘要]近年来路面塌陷事件各地频发，当地主管部门会以各种原因予以解释，但究其成因，极少数属于自然形成的地质灾害，主要的还是人为因素导致。人为因素造成的塌陷灾害除了地下采矿的采空造成的塌陷等灾害外，人口密集的城市路面塌陷更容易造成生命和财产的损失。随着城镇化建设的加快，城市地面空间越来越紧张，势必会发展到过度依赖地下建筑来解决城市空间问题。如地铁、地下电力通道、市政管网等。这些建筑的上面如果路基为填土、粘土、沙土、碎石等第四纪土组成，地下建筑施工、水活动的动力条件是造成路面塌陷的主要原因，降雨、振动及其他因素加速，加剧了塌陷的形成。本文结合重庆市礼嘉-鸿恩寺220kV电缆线路隧道工程实例，就发生的地面塌陷原因及处理措施进行阐述，供有关工程参考。
[中图分类号] F407.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-7-70-2
1工程概况
重庆市礼嘉-鸿恩寺220kV电缆隧道起点在余松路和松石大道交叉口南侧，沿嘉华大桥北延伸段东侧人行道边缘下向南敷设。至公交车站北侧附近横穿道路，再沿道路西侧人行道下敷设。线路跨越龙溪河采用桥架敷设，桥架两端采用竖井与暗挖隧道连接，继续沿公路人行道走线，至人行天桥附近右转进入鸿恩寺公园地块，采用竖井与鸿恩寺公园高压线下地隧道北口相接。
工程区内地层岩性由第四系全新统人工填土层素填土（Q4ml）、第四系全新统残坡积层粉质粘土（Q4el+dl）及侏罗系中统沙溪庙组砂岩（J2s-Ss）、泥岩（J2s-Ms）组成，隧道埋深为14～17m。隧道净断面为2.4m×2.65m门洞型，一般段初期支护采用钢架+锚喷支护，加强段初期支护采用超前注浆小导管+钢架+锚喷支护。隧道二次衬砌采用现浇模筑钢筋砼结构，厚300mm，拱部、侧墙、底板等厚度。
根据设计该段按一般段施工方式进行弱爆破开挖及初期支护，2013年5月7日早上8时在bk0+355处进行除渣施工时发现掌子面拱顶部位基岩变化为土层出露并伴有突泥和少量突水，对比该段地勘报告隧道拱部上覆近10m基岩出现的地质异常情况，隧道内停止施工作业，为防止洞内工作面出现塌方和突泥，对工作面立即采用块石进行反压堆填并喷射混凝土封闭。对工作面附近的钢支撑和锚喷段进行加固，并做好洞内的变形观测。同时立即检查对应地面情况，结合地面上人行道和公路路沿石边上出现的细微开裂，污水井旁边出现的沉降这些地面塌陷的前兆，初步判断该部位会出现塌陷可能，会同业主、监理和设计单位对该段工程危险性进行了现场勘查和安全防范。安全防范措施进行了安全围挡隔离，在地面布置了沉降观测点，并安排专人进行现场看护和安全监测。根据地面沉降监测记录，7日最大沉降176mm，8日最大沉降184mm，9日40mm，10日52mm，11日早上8时左右，地面出现了长度约4m，宽度约2m，最大深度约1.5m的一个凹陷坑。
2塌陷理论及成因分析
2.1塌陷的发生
实质上是土洞（土体内细小孔洞）抗塌力小于致塌力的结果。致塌力主要有：（1）自重力（G），（2）荷载力（P），（3）地下水的渗透压力，分为垂向渗透力（Fp）和侧向渗透力 （FH），（4）气体负压力（P0）（地下水位下降至岩溶空腔内时，产生向下的吸蚀力，低于大气压），（5）气体正压力（PI）（当地下水位迅速升高时，将被压缩形成正压力，导致冲爆致塌。正压力大于大气压力），（6）大气压力（Pa），（7）振动力（S）。抗塌力主要有：（1）岩土体的内聚力（C）（颗粒间的引力（凝聚力），粘性土比砂性土大），2）地下水浮力（W）（岩土于地下水位之中时，因含水量增加而自重加大，但浮力抵消了部份自重力），（3）摩擦力（F）（土体坍塌时与周边产生的准阻力）。
2.2地面塌陷的成因机制
（1）潜蚀效应：理论认为，地下水位下降时，水力梯度也随之大。当水力梯度达到一定值时，动水压力则大于土体粘聚力与颗粒间摩擦力，土颗粒开始被渗流带动迁移。这一现象称为溶蚀。
（2）压强差效应： 压强差是指岩溶空腔与松散介质（或土洞）接触面上下侧水、气流体，因岩溶管道水位变化而产生相应的压强差值。
（3）垂直渗压效应 ：当地表雨水入渗时，水在孔隙中运动，对土颗粒施加一种垂向渗透压力，从而改变了土体的力学性质。当渗透压力达到一定值时，使土体结构破坏，土颗粒随水流产生运移，即流土或管涌，进而形成土洞，直至发生地面变形或塌陷。由这种渗透力作用而产生的力学现象及过程，称为渗压效应。
（4）浮力效应：岩土于地下水位之中，便产生静水浮力。当地下水位下降时，除产生压强差效应外，土体的浮托力也随之减少。浮力减少对不同的盖层厚度，同一水位降深所减少的绝对浮力值相同，但影响随土层厚度大小有别。
（5）自重效应：雨水入渗后，盖层厚度大，溶陷面积宽，自重也大，使土拱承受更大的重量，导致塌陷。
（6）土体强度效应：土体吸水饱和后，内聚力与内摩擦角较天然状况时减少
（7）其它效应： 除上述几种机制外，尚有地震、超声波等特殊致塌效应。
2.3致塌条件
2.3.1地质条件
根据隧道地勘钻孔资料和地面塌陷后出露的土层，该段隧道主要为强、中风化泥岩，局部为砂岩、砂质泥岩透镜体，上覆粉质粘土和素填土。由于该段小区和公路建设原始地貌的改变程度较大，实际地质情况是该段处于一条原始冲沟部位，土层厚度远大于勘查报告厚度进入隧道顶部，素填土厚度大且密度属于稍密。
2.3.2地下水条件
从地形上分析该部位处于鸿恩寺坡底沟心地段，地下水相对丰富。
2.3.3爆破震动
该段采用爆破施工，经常性的爆破震动加速了土壤塑性指数发生变化。
2.4致塌原因
根据塌陷实质成因和塌陷机制，结合塌陷部位的地质水文情况，该部位形成塌陷的主要原因是土质松散，在地下水位线较高土体比较较饱和状态下只是存在沉降蠕变，当隧道施工至该段下方时地下水随着裂隙下渗至洞内排除后造成土壤含水量减少，土壤塑性指数发生变化。同时产生一定的潜蚀现象形成溶槽，在上部土层重力作用下逐步沉陷造成距离地面3～5米范围内的污水、雨水管破裂和4～5日的降雨等形成更上一部分的水渗入使土体结构破坏溶槽扩大，土颗粒随水流产生运移，直至发生地面变形和沉降塌陷。
因此水活动的动力条件是造成塌陷的主要原因，降雨，振动及其他因素加速，加剧了沉陷的形成。
3沉陷处理方案及步骤
3.1沉陷处理方案
沉陷整治方案为采用跨越式溶槽盖板对溶槽进行覆盖后回填。
对现有状况的沉陷基坑周边进行扩挖和下挖，并延该部位的各种管线基础进行扩大处理。开挖范围从溶槽中心沿人行道两边至稳定路基地面段，开挖深度至污水管到下500mm。在污水管以下采用500mm厚盖板跨越溶槽，盖板四周设置500mm*500mm齿槽，盖板基础进行打夯夯实。并对公路边方向及路线边缘潜在的，对路基和周边建筑物稳定构成严重威胁的区域做混凝土挡墙，防止路面及地面继续向溶槽方向倾斜下沉。完成盖板后对出露的管线进行检查并配合相关部门进行修复，再进行盖板上碎石土分层回填夯实至路面。对盖板下松软土层和回填土部分预埋灌浆管进行灌浆固结，避免土层产生塑性变化。完成注浆后对路面进行恢复。
3.2开挖及基坑支护
开挖采用人工开挖为主，根据管线埋设高度不同，从人行道内侧的部位开挖，先完成供水管的保护。开挖按分层开挖，每层开挖深度不大于1.5m，开挖完成后及时采用50cm厚的钢筋混凝土做成护壁兼挡墙，直至完成跨越溶槽盖板的开挖。
3.3跨越式溶槽盖板
溶槽盖板采用500mm厚双层钢筋混凝土，混凝土标号采用C30，钢筋配筋为？20钢筋，间距150mm*150mm。盖板周边适当布置500mm*500mm的齿槽。
3.4注浆管埋设及注浆
注浆管采用？50X5，前端加工成椎尖形，间隔300mm螺旋形布置设？8钻孔，在进行盖板混凝土浇筑前采用人工楔入一定深度（根据实际情况尽量埋置深），混凝土盖板段的孔进行封堵，防止浇筑盖板时混凝土进入注浆管内。盖板上碎石土回填完毕后进行注浆。浆液水灰比0.5：1，水泥砂浆标号采用M30。
3.5对管线工程进行恢复
在完成盖板浇筑后，对开挖出露的管线及设施井配合相关部门进行检查修护。对各种管线需要修复部位由相关部门指导修复。根据目前我部的检查，供水管其中一个接头有少量错位，由供水公司指导复位后供水公司加抱箍进行加强。线缆未造成破坏，回填至相应高度时重新进行埋设。污水管和雨水管在检查井部位有破裂，对该部位管道进行更换并重新修筑检查井。
3.6路面修复
（1）对局部破坏的余松路边缘路面，清除松软的水稳层并夯实路基，采用两层混凝土修补清除的水稳层部位，下部采用200mm厚C20混凝土，上部采用300mm厚C30混凝土，再铺筑路面沥青砼。
（2）人行道修复在回填压实的土上浇筑部分混凝土垫层后再用水泥砂浆铺筑人行路面砖。
（3）采用同型同款的路沿石及人行路面砖进行恢复，同时对移栽的树木原位恢复，保证景观的一致性。
3.7隧道施工
地面恢复稳定后，重新进行隧洞施工，循环进尺控制在0.5m以内，采用人工分部开挖，短进尺强支护，先拱顶部后边墙。为保证地下水最小影响和隧道开挖的安全性，采用大管棚注浆对该段进行施工。
大管棚支护地面沉陷对应的隧道段，管棚钢管采用25m（考虑25m长是因为管棚施工段从已经支护段尾端开始施工，进入未开挖段要保证有15m以上）米长Φ108X6热轧无缝钢管，环向管芯距250mm（布置18根，按3.5外插后到了管棚最前端间距间距为480mm，土层中含水注浆效果会减小），钢管前端呈尖锥状，尾部焊接Φ10加劲箍，管壁上钻2排Φ12mm注浆孔。管棚施工时（布置在0+347处，该段适当扩宽便于钻机安装和角度控制，并立双支护骨架进行加强处理）沿隧道周边以不大于3.5°外插角打入围岩，再灌注M30水泥砂浆，侧墙及底板根据围岩实际情况设置6米长Φ50X5超前导管。初衬挂Φ8@200x200单层钢筋网，喷射C25砼厚150mm，围岩支护骨架采用工14型工字钢，原则上每0.5米一榀，钢架拱脚（临时拱脚）设置两根锁脚锚杆。隧道系统支护锚杆采用Ф20锚杆，环向及纵向间距均为1.2米，梅花形布置，长度为2.5米。要求锚杆末端锚入初期支护的锚固长度大于0.5m。
4结束语
截止6月18日完成隧道内管棚施工后，至6月30日隧道恢复施工完成爆破掘进开挖和初期支护20m，地面没有发现新的裂痕，证明隧道和地面处理效果良好。该类工程出现意外情况时的处置及时性是减少事故扩大化的关键，同时吸取的教训是，地下建筑施工中地勘工作对结构设计和施工的重要性特别明显。