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摘要：在进行海底隧道浅埋暗挖施工过程中，最为核心的问题便是地表塌陷的防控工作，如果海床塌陷事故发生了，那么将导致大量的海水涌入到施工的隧道中，将导致的后果堪称灾难性的。所以，对于地表塌陷事故发生的原因以及机制、诱使发生的原因以及塌陷事故发生以后的控制措施进行明确以及掌握是整个底隧道浅埋暗挖施工过程中工程质量保证最重要的手段以及方法。本文主要针对地表塌陷事故发生的原因以及机制、诱使发生的原因以及塌陷事故发生以后的控制措施进行简单的分析以及研究，希望可供同行朋友借鉴参考。
关键词：浅埋暗挖隧道工程控制地表塌陷
一、地表塌陷事故发生的原因以及机制分析
（一）机制分析
因为隧道挖掘工程所引起的地表发生的变形或者是沉降，其本身是一个较为复杂的过程，在这个过程中，包括有应力的传递以及变形传递。同时在整个传递的过程中还伴随有失水固结（土体）的现象发生。按照相关的平衡理論，选择在一些粘聚力较大的介质中进行洞室的挖掘以后，如果并没有支护措施，那么将导致隧道的为围岩部分从里面到外面都会逐渐的发生失稳破坏现象，其次，如果上面的覆地层保证足够的厚度，那么当隧道发生塌方并给到达一定的高度以后，围岩将逐渐的形成一个压力拱，并且保持自然平衡状态，同时土体也将停止破坏，如果力学条件发生的改变达到了一定的强度，那么这个压力拱将会受到破坏，这样就导致了地表塌陷的事故发生。
如果我们假设压力拱的跨度是b，其高度为hh，为了将压力拱本身的高度计算得出，我们选择压力拱左边部分的AO段进行物理分析（即受力分析），示意图请参考下图2中所示。在拱的上部，存在有荷载q的作用力，并且为垂直均布，以及渗透力f（垂直作用），而针对O点，其承载的作用力包括有左半拱AO段受到的来自于右半拱BO段带来的支撑力T（作用方向为水平切向），在A点受到的作用力包括有垂直反力N以及水平反力H。
图2：力学分析示意图（压力拱）
此时拱的左半部分处于平衡状态，其满足平衡的条件为下列所示：
（1）
（2）
T=H（3）
（4）
同时又因为拱在平衡状态（极限）的同时，其A处拱脚处所受到的水平反力H因为受到垂直反力N的作用，而平衡，所以存在有：
H=f0N（5）
在上面的式子中，我们用f0代表土体本身的坚固性系数（或似摩擦因数）的大小。
如果我们将（5）式代入到（3）式中，我们可以得到：
T=f0N（6）
为了使得整个拱在其水平方向可以保证有充足的稳定性能，必须使得H>T，那么即是T=f0N，我们选取其安全系数，数值为2.所以存在：
2T=f0N（7）
如果我们将（2）式以及（7）式代入到上述（4）式中，我们可以得到：
（8）
按照相关的理论，如果对象底层为松散性质的时候，其地下的洞室的侧壁在滑动的过程中，和垂线之间的夹角保持为，详细请参考下图3中所示，我们通过土压力理论可以得到：
（9）
在上面的式子中，表示的是上覆地层存在的内摩擦角度值。
图3：针对压力拱跨度进行计算示意图
对于压力拱跨度以及高度的计算，我们可以将其表示成为：
B=2a+d==2h’tan（-/2+45°）+d（10）
hh={2h’tan（-/2+45°）+d}/f02（11）
在上面的式子中：隧道跨度用d表示，开挖的高度用h’进行表示。
我们常用的普式理论并不是所有的情形都适合，假如地下洞室本身的埋深并不具有足够的深度的话，那么并不会有压力拱形成，该理论主要的适用范围包括有：
2hh≤h（12）
（二）浅析塌陷原因
（1）地层原因分析
下图4中主要针对隧道塌陷事故主要的发生未知以及地址的纵段示意图。
图4：隧道塌陷事故主要的发生未知以及地址的纵段示意图
根据工程地质勘察报告和土体的物理力学性质及微观结构分析，在该区间范围内地层主要特征如下：
①位于素填土下部的淤泥质粉土，分布广泛，厚0 ～4.6 m，局部夹粉细砂或粗砾砂。该层土为欠固结土，中等灵敏度，工程性质差。
②淤泥质土层或粉质黏土下不均匀存在粉砂、中砂、砾砂，渗透性好，地下水埋深浅，施工中地下水处理不当，易出现流砂、管涌等现象。
③地层物理性质试验及 X 射线衍射结果表明：地层含水量较大，含砂较多，多呈松散状态。地层中普遍存在石英，地层倾向于散粒体，开挖施工排水时渗流易冲刷夹带粉细砂粒，造成地层变形过大，对工程极为不利。
④地层结构电镜扫描示意图（如图5所示）表明：地层中粉砂颗粒组成不均匀，粒径0.005～0.05 mm，松散，少胶结物，横断面有大至0.05 mm 左右的空洞，遇水渗流时，细小颗粒易被带走充填空洞，引起地层位移；砾砂颗粒以0.06 mm 左右为主，另有更大颗粒，纵断面结构显示有较大空隙，约0.3mm。
1）中砂；2）砾砂
图5：地层结构电镜扫描示意图
（二）施工原因浅析
在进行施工的过程中，也可能因为施工不当导致地表发生塌陷事故，一方面可能因为在进行施工以前并没有对地质预报工作进行详细的检查；另一方面则是因为具体的施工过程中深孔注浆范围还不够要求。再者，因为施工过程中，对于沉降的监测并没有全面的进行，仅仅是针对隧道上方的地面进行监测，但是并没有对深层的底层进行检测，导致对路面结构缺乏认知，施工中并不能完全满足地层的要求。
二、塌陷事故发生以后的控制措施介绍
根据对松散富水地层中隧道施工引起地表塌陷的机制和原因分析可知，采取地层预加固措施并及时进行隧道支护是避免地表塌陷的重点和核心。
（1）工作面无支护空间是影响地表塌陷的重要因素，因此，在施工中应尽量减少无支护空间，并针对此空间施作预支护结构，是避免地表塌陷的前提条件。
（2）由于土体的松软及蠕变特性，地层中压力拱结构的失稳还受到时间因素的影响，因此在隧道施工中当小范围的塌方出现时应及时处理，以促成下一级压力拱的形成和稳定，避免造成更大范围的塌方和地表塌陷。
（3）在进行实际施工的过程中，地表塌陷最为主要的原因便是施工过程中流砂涌水现象，所以，在进行施工的过程中，必须对地下水进行仔细的处理，一般情况下可以通过旋喷或者是注浆的方式进行堵水，同时防止涌水流水导致的地表塌陷以及隧道塌方。
（4）鉴于地层压力拱结构的失稳多是由拱脚的破坏引起，因此拱脚的变形和破坏应是隧道施工中监测和控制的重点，遇有砂层，尤其是已经发生塌方的地段应加强隧道两侧和前方地层的注浆加固和支撑，同时对初期支护背后及时补充注浆。
（5）地表塌陷往往具有突发性，塌陷之前地表通常无明显沉降，因此在易发生地表塌陷地段应进行地层深部位移监测，并加强洞内监测，以便对地层沉降作出准确的预报，有塌陷预兆时及时处理，从而避免地表塌陷的发生。
参考文献：
1.苏小敏 兰天仕.打括隧道浅埋暗挖及穿越民房段预防地表塌陷施工技术[J].企业科技与发展：下半月，2012（1）：32-35.
2.胡晋山 康建荣 吴志强 刘向阳.基于GIS的矿区地表塌陷预计及规划治理系统的设计[J].现代矿业，2010（8）：52-54.
3.曾社教 马世雄.木里煤田江仓矿区四井田地质环境损害分析及其修复[J].地下水，2010，32（5）：244-245，58.
4.王晖 李智毅 杨为民 魏路.松散黄土堆积层下煤矿采空区地表塌陷形成机理[J].现代地质，2008，22（5）：877-883.
5.姚鑫 文冬光 戴福初 王献礼 熊探宇.“5·12”汶川地震震后龙门山山前地表塌陷成因探讨[J].工程地质学报，2008，16（5）：577-583.
关键词：浅埋暗挖隧道工程控制地表塌陷
一、地表塌陷事故发生的原因以及机制分析
（一）机制分析
因为隧道挖掘工程所引起的地表发生的变形或者是沉降，其本身是一个较为复杂的过程，在这个过程中，包括有应力的传递以及变形传递。同时在整个传递的过程中还伴随有失水固结（土体）的现象发生。按照相关的平衡理論，选择在一些粘聚力较大的介质中进行洞室的挖掘以后，如果并没有支护措施，那么将导致隧道的为围岩部分从里面到外面都会逐渐的发生失稳破坏现象，其次，如果上面的覆地层保证足够的厚度，那么当隧道发生塌方并给到达一定的高度以后，围岩将逐渐的形成一个压力拱，并且保持自然平衡状态，同时土体也将停止破坏，如果力学条件发生的改变达到了一定的强度，那么这个压力拱将会受到破坏，这样就导致了地表塌陷的事故发生。
如果我们假设压力拱的跨度是b，其高度为hh，为了将压力拱本身的高度计算得出，我们选择压力拱左边部分的AO段进行物理分析（即受力分析），示意图请参考下图2中所示。在拱的上部，存在有荷载q的作用力，并且为垂直均布，以及渗透力f（垂直作用），而针对O点，其承载的作用力包括有左半拱AO段受到的来自于右半拱BO段带来的支撑力T（作用方向为水平切向），在A点受到的作用力包括有垂直反力N以及水平反力H。
图2：力学分析示意图（压力拱）
此时拱的左半部分处于平衡状态，其满足平衡的条件为下列所示：
（1）
（2）
T=H（3）
（4）
同时又因为拱在平衡状态（极限）的同时，其A处拱脚处所受到的水平反力H因为受到垂直反力N的作用，而平衡，所以存在有：
H=f0N（5）
在上面的式子中，我们用f0代表土体本身的坚固性系数（或似摩擦因数）的大小。
如果我们将（5）式代入到（3）式中，我们可以得到：
T=f0N（6）
为了使得整个拱在其水平方向可以保证有充足的稳定性能，必须使得H>T，那么即是T=f0N，我们选取其安全系数，数值为2.所以存在：
2T=f0N（7）
如果我们将（2）式以及（7）式代入到上述（4）式中，我们可以得到：
（8）
按照相关的理论，如果对象底层为松散性质的时候，其地下的洞室的侧壁在滑动的过程中，和垂线之间的夹角保持为，详细请参考下图3中所示，我们通过土压力理论可以得到：
（9）
在上面的式子中，表示的是上覆地层存在的内摩擦角度值。
图3：针对压力拱跨度进行计算示意图
对于压力拱跨度以及高度的计算，我们可以将其表示成为：
B=2a+d==2h’tan（-/2+45°）+d（10）
hh={2h’tan（-/2+45°）+d}/f02（11）
在上面的式子中：隧道跨度用d表示，开挖的高度用h’进行表示。
我们常用的普式理论并不是所有的情形都适合，假如地下洞室本身的埋深并不具有足够的深度的话，那么并不会有压力拱形成，该理论主要的适用范围包括有：
2hh≤h（12）
（二）浅析塌陷原因
（1）地层原因分析
下图4中主要针对隧道塌陷事故主要的发生未知以及地址的纵段示意图。
图4：隧道塌陷事故主要的发生未知以及地址的纵段示意图
根据工程地质勘察报告和土体的物理力学性质及微观结构分析，在该区间范围内地层主要特征如下：
①位于素填土下部的淤泥质粉土，分布广泛，厚0 ～4.6 m，局部夹粉细砂或粗砾砂。该层土为欠固结土，中等灵敏度，工程性质差。
②淤泥质土层或粉质黏土下不均匀存在粉砂、中砂、砾砂，渗透性好，地下水埋深浅，施工中地下水处理不当，易出现流砂、管涌等现象。
③地层物理性质试验及 X 射线衍射结果表明：地层含水量较大，含砂较多，多呈松散状态。地层中普遍存在石英，地层倾向于散粒体，开挖施工排水时渗流易冲刷夹带粉细砂粒，造成地层变形过大，对工程极为不利。
④地层结构电镜扫描示意图（如图5所示）表明：地层中粉砂颗粒组成不均匀，粒径0.005～0.05 mm，松散，少胶结物，横断面有大至0.05 mm 左右的空洞，遇水渗流时，细小颗粒易被带走充填空洞，引起地层位移；砾砂颗粒以0.06 mm 左右为主，另有更大颗粒，纵断面结构显示有较大空隙，约0.3mm。
1）中砂；2）砾砂
图5：地层结构电镜扫描示意图
（二）施工原因浅析
在进行施工的过程中，也可能因为施工不当导致地表发生塌陷事故，一方面可能因为在进行施工以前并没有对地质预报工作进行详细的检查；另一方面则是因为具体的施工过程中深孔注浆范围还不够要求。再者，因为施工过程中，对于沉降的监测并没有全面的进行，仅仅是针对隧道上方的地面进行监测，但是并没有对深层的底层进行检测，导致对路面结构缺乏认知，施工中并不能完全满足地层的要求。
二、塌陷事故发生以后的控制措施介绍
根据对松散富水地层中隧道施工引起地表塌陷的机制和原因分析可知，采取地层预加固措施并及时进行隧道支护是避免地表塌陷的重点和核心。
（1）工作面无支护空间是影响地表塌陷的重要因素，因此，在施工中应尽量减少无支护空间，并针对此空间施作预支护结构，是避免地表塌陷的前提条件。
（2）由于土体的松软及蠕变特性，地层中压力拱结构的失稳还受到时间因素的影响，因此在隧道施工中当小范围的塌方出现时应及时处理，以促成下一级压力拱的形成和稳定，避免造成更大范围的塌方和地表塌陷。
（3）在进行实际施工的过程中，地表塌陷最为主要的原因便是施工过程中流砂涌水现象，所以，在进行施工的过程中，必须对地下水进行仔细的处理，一般情况下可以通过旋喷或者是注浆的方式进行堵水，同时防止涌水流水导致的地表塌陷以及隧道塌方。
（4）鉴于地层压力拱结构的失稳多是由拱脚的破坏引起，因此拱脚的变形和破坏应是隧道施工中监测和控制的重点，遇有砂层，尤其是已经发生塌方的地段应加强隧道两侧和前方地层的注浆加固和支撑，同时对初期支护背后及时补充注浆。
（5）地表塌陷往往具有突发性，塌陷之前地表通常无明显沉降，因此在易发生地表塌陷地段应进行地层深部位移监测，并加强洞内监测，以便对地层沉降作出准确的预报，有塌陷预兆时及时处理，从而避免地表塌陷的发生。
参考文献：
1.苏小敏 兰天仕.打括隧道浅埋暗挖及穿越民房段预防地表塌陷施工技术[J].企业科技与发展：下半月，2012（1）：32-35.
2.胡晋山 康建荣 吴志强 刘向阳.基于GIS的矿区地表塌陷预计及规划治理系统的设计[J].现代矿业，2010（8）：52-54.
3.曾社教 马世雄.木里煤田江仓矿区四井田地质环境损害分析及其修复[J].地下水，2010，32（5）：244-245，58.
4.王晖 李智毅 杨为民 魏路.松散黄土堆积层下煤矿采空区地表塌陷形成机理[J].现代地质，2008，22（5）：877-883.
5.姚鑫 文冬光 戴福初 王献礼 熊探宇.“5·12”汶川地震震后龙门山山前地表塌陷成因探讨[J].工程地质学报，2008，16（5）：577-583.