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摘要：近年来随着城市隧道工程的增多，由其引发的安全事故也频频发生，其中又以地面塌陷事故所占比重最大。地面塌陷事故危害性极大，严重影响到施工安全甚至城市居民的生命安全。笔者结合国内发生的地面塌陷案例，对城市隧道施工诱发的地面塌陷灾变机制进行了研究，并提出了相应的技术控制手段，对今后的施工具有一定的参考作用。
关键词：城市隧道；施工安全；地面塌陷；灾变机制；控制技术
一、引言
近几年，出于开发城市地下空间的需要，我国各大城市的地铁建设进行得
如火如荼，但是随之而来是相对较为频繁的安全事故。其中由于隧道施工造成的地面塌陷事故已经严重地影响到了城市生产活动，甚至对城市居民的生命安全造成了影响。近年来国内发生的重大事故有2003年上海地铁四号线施工时导致大范围地面塌陷，造成周边三栋建筑物发生严重倾斜，同时也破坏了该处的防汛墙；2006年北京地铁10号线施工导致了东三环处京广桥附近道路塌陷，事故导致的面积宽达250平方米的塌陷坑对城市交通产生了巨大影响，附近道路交通几乎全部中断；2007年南京地铁施工导致了当地汉中路出现地面塌陷，并造成该地天然气管道爆裂，继而发生爆炸，路面被炸出一个大坑，而且危及到周边的大厦；同年三月份北京地铁10号线再次出事，苏州街的东南出口处发生塌陷，6名施工人员全部遇难……这些事故让人们对于地铁隧道施工产生了某种阴影，严重地影响到了市民的日常生活，社会危害甚大。
一次次的事故促使我们对于此类问题进行深刻反思，笔者认为，施工中的各种不可控因素固然是导致事故频发的原因之一，但是最根本的原因在于施工人员并没有从本质上对城市隧道施工的性质进行清醒的认识，并没有对隧道施工容易诱发地面塌陷这一事实有足够的警惕，同时也没有对地面塌陷的灾变机制、形成原因以及演变规律进行正确的梳理[1]。因而无法在隧道施工中采取有效的预防措施，也无法对地面塌陷事故进行精确的预报。可以说，这已经成为我国城市隧道施工中的技术性难题，随着地铁建设新一轮热潮的涌来，此问题的严重性和危害性可能会进一步凸显。因此，对这个问题进行深入研究，不仅具有重大的学术价值，还对地铁施工具有重要的指导意义。
二、城市隧道施工诱发地面塌陷灾变机制分析
通过对类似事故的分析，再结合以往国内外的研究经验，笔者认为城市隧道
施工诱发的地面塌陷灾变机制主要有以下几种：
（1） 隧道开挖直接导致地面塌陷。这种情况是指施工人员在进行隧道开挖
时上覆地层自动地发生了十分复杂的变化，其中包括应力的传递和变形的严重化，加上土体的水分流失以及土体冻结，共同作用必然引起隧道施工处地层的物理力学各种参数发生变化。所谓的普式理论提出，如果在没有支护的状态下在松散介质内开挖洞室会导致隧道围岩从里到外出现不稳定现象[2]，地层将会遭到破坏。在这种情况下，如果施工处上覆地层具有足够的厚度，那么塌陷至一定程度后围岩就会形成一种自然的平衡压力拱，这会成为某种保护，阻止土体的继续破坏。由此可见，在施工过程中压力拱会随着上覆地层厚度以及各种力学参数的变化而变化，一旦达到一定的临界点，将无法再形成压力拱，如果此时没有采取支护措施或者支护的强度不够，就很容易出现地层失稳，从而引起地面的塌陷。
（2）管线渗漏水引发地面塌陷。由于隧道施工都是在地下进行，而我国各大城市的地下排水管道普遍地存在着漕漏现象，而且某些管道的渗漏极为严重。所以由于地下管线的渗漏导致路面塌陷的情况也不少见。具体发生机制是隧道施工进行时会产生一定的扰动作用，城市隧道施工导致的地下管线破坏一般有两种模式，一种是在附加的拉力和应力作用下管道出现裂缝，甚至还可能发生破裂，从而会让管道失去正常的工作能力[3]；第二种情况是管段虽然完好无损，但是管段之间的接头出现问题，不能保持完全的封闭状态从而发生大量的渗漏。这两种模式都会破坏管道，也有可能是二者同时发生导致管道破坏。
（3）地层中不良地质体遭到破坏进而引发地面塌陷现象。从本质上来说，这种情况引发的地面塌陷是因为地层中空洞发生了坍塌与破坏，从而引起地层空洞上方地层中出现力学上的不平衡，这种不平衡逐渐加剧就会引起地面塌陷。而空洞之所以会被破坏是因为隧道施工时产生了扰动作用。当两个或者若干个空洞合成一个时，空洞的面积就会增大，这回导致空洞上方的覆盖地层变薄。同样根据普氏的压力拱理论，当空洞断面扩大到一定程度时，上方地层内的拱结构将会被破坏，从而产生不稳定，无法再形成新的压力拱，久而久之便会引发塌陷现象的发生。
三、城市隧道施工诱发地面塌陷问题的控制分析
上文对隧道施工诱发地面塌陷灾变机制的情况进行了详细的介绍，既然有三种原因，那么要进行控制也需要视具体情况而定。因此，笔者将会根据机制原理的不同提出不同的安全控制手段和技术。
（1）地下管线破坏引发的地面塌陷控制技术。上文已经对这种情况的发生进行了分析，因此要控制此种机制导致的地面塌陷首先就需要采取有效的措施确保地下管道的安全，保证其不会受到施工的影响。在进行施工前首先要对施工场所区域内管道的分布情况进行详细的了解，虽然埋在地下的管道所属单位众多，而且还可能存在一些单位不明的管线，这给管线的了解工作带来了较大的难题，但是施工方为了保证施工的安全，仍然需要在这方面做足工夫[4]。可以通过各单位提供的管线设计图纸等资料摸清情况，还可以结合现场的调查来获得详细的地下管线分布信息，在必要时还要采取一定的方法进行相关的探查工作。在此基础上制定出管道变形的合理控制标准，这样才能确保管线在具体的隧道施工中的安全。如果发现有原本已经被严重破坏的管线则应该及时地处理，不仅是防止施工意外发生，还能够完善城市的管道系统。而那些年代久远、质量不达标的管线则应该在施工前采用相应的方法进行加固工作，以提高其抗干扰能力[5]。另外，在进行施工的过程中，还应该对管线的安全情况进行监测，这是一项必不可少的工作。具体的监测方法有直接测点和间接测点这两种，但是由于施工区域一般比较复杂，要实现直接测点难度较大，除非特别重要的管线监测时才会排除万难使用，大部分情况下都是采用间接监测的方法。
（2）地层中不良地质体遭到破坏引发地面塌陷的控制措施。与管线破坏引发的地面塌陷一样，要对这种情况下的问题进行控制首先也是要对不良地质体进行超前的情况摸底，也就是地质探测。并根据探测情况，分别对地质松散区、空洞区以及富水区采取相应措施有针对性地进行处理。一般来说，地质松散区埋深非常浅，可以采取注浆加固的方法进行处理，也就是说需要在地面打孔以设置好注浆管。同时为了防止空洞区附近区域内在进行注浆时浆液会扩散，因此对空洞区外侧部分要用注浆导管压注水泥浆液[6]。而富水区的处理则更加复杂，由于地层水量过多主要是因为地层滞水以及管线发生渗漏所致，因此在进行处理时需要探明此处是否有其他水源，如果有自来水管道相通则应该进行堵漏。第二个步骤是要采取相关措施对不良地质进行恰当的改良。
四、小结
上文对城市隧道施工诱发地面塌陷发生的三种可能的灾变机制进行了细致分析，而且对后两种情况导致地面塌陷提出了具有针对性的控制措施和技术。但是归根结底，那只是微观层面上的具体建议措施。笔者认为，要最大程度地杜绝同类事故的再次发生，还需要从宏观上具备谨慎意识，所以笔者提出了以下几项注意事项：
（1）在平时的经济建设中注意保护地质环境，尽可能地减少不良土体。这就要求相关部门要颁布政策，严格地限制地下矿产的开采，同时减少地下水的抽取规模，保证地下水位的下降幅度在可控范围之内。只有保护好地质环境，才能从根本上减少地面塌陷的发生。
（2）强化地面塌陷的地质调查工作。相关部门应该在全省范围内或者全市范围内进行一次系统的地质情况调查，弄清楚地质不良区域的所在，预测出事故易发地段，同时圈出灾害严重区域。还应该对容易出现塌陷问题区域内的建筑物、厂矿或者城镇进行实时地处理，以减少潜在风险的破坏程度。
（3）全民都应该具备预防意识，相关部门要对地质情况进行跟踪监测，综合各方面的信息，及时地对可能出现的问题进行预测，这样至少可以减少事故发生后导致的生命财产损失。同时，对施工处的地面塌陷演变趋势进行事先了解，以便采取下一步的措施，尽可能减少损失[7]。
（4）对地面塌陷事故要有清晰地认识，要及时果断地采取工程治理措施。比如对一些可能产生严重危害市民生命财产安全的灾害点，应该果断地让人们搬迁，或者事先进行大规模的注浆填充处理，总之应该采取合适的方法进行处理，而不能等到事故发生后才行动，那样将损失重大。
总之，地铁建设是擴展城市生存空间、改善城市交通的有效手段，因而国内未来的隧道施工工程将会越来越多，而由此诱发的地面塌陷问题也将日益严峻。我们应该从宏观以及微观的层面，采取各种措施对此问题加以控制。
关键词：城市隧道；施工安全；地面塌陷；灾变机制；控制技术
一、引言
近几年，出于开发城市地下空间的需要，我国各大城市的地铁建设进行得
如火如荼，但是随之而来是相对较为频繁的安全事故。其中由于隧道施工造成的地面塌陷事故已经严重地影响到了城市生产活动，甚至对城市居民的生命安全造成了影响。近年来国内发生的重大事故有2003年上海地铁四号线施工时导致大范围地面塌陷，造成周边三栋建筑物发生严重倾斜，同时也破坏了该处的防汛墙；2006年北京地铁10号线施工导致了东三环处京广桥附近道路塌陷，事故导致的面积宽达250平方米的塌陷坑对城市交通产生了巨大影响，附近道路交通几乎全部中断；2007年南京地铁施工导致了当地汉中路出现地面塌陷，并造成该地天然气管道爆裂，继而发生爆炸，路面被炸出一个大坑，而且危及到周边的大厦；同年三月份北京地铁10号线再次出事，苏州街的东南出口处发生塌陷，6名施工人员全部遇难……这些事故让人们对于地铁隧道施工产生了某种阴影，严重地影响到了市民的日常生活，社会危害甚大。
一次次的事故促使我们对于此类问题进行深刻反思，笔者认为，施工中的各种不可控因素固然是导致事故频发的原因之一，但是最根本的原因在于施工人员并没有从本质上对城市隧道施工的性质进行清醒的认识，并没有对隧道施工容易诱发地面塌陷这一事实有足够的警惕，同时也没有对地面塌陷的灾变机制、形成原因以及演变规律进行正确的梳理[1]。因而无法在隧道施工中采取有效的预防措施，也无法对地面塌陷事故进行精确的预报。可以说，这已经成为我国城市隧道施工中的技术性难题，随着地铁建设新一轮热潮的涌来，此问题的严重性和危害性可能会进一步凸显。因此，对这个问题进行深入研究，不仅具有重大的学术价值，还对地铁施工具有重要的指导意义。
二、城市隧道施工诱发地面塌陷灾变机制分析
通过对类似事故的分析，再结合以往国内外的研究经验，笔者认为城市隧道
施工诱发的地面塌陷灾变机制主要有以下几种：
（1） 隧道开挖直接导致地面塌陷。这种情况是指施工人员在进行隧道开挖
时上覆地层自动地发生了十分复杂的变化，其中包括应力的传递和变形的严重化，加上土体的水分流失以及土体冻结，共同作用必然引起隧道施工处地层的物理力学各种参数发生变化。所谓的普式理论提出，如果在没有支护的状态下在松散介质内开挖洞室会导致隧道围岩从里到外出现不稳定现象[2]，地层将会遭到破坏。在这种情况下，如果施工处上覆地层具有足够的厚度，那么塌陷至一定程度后围岩就会形成一种自然的平衡压力拱，这会成为某种保护，阻止土体的继续破坏。由此可见，在施工过程中压力拱会随着上覆地层厚度以及各种力学参数的变化而变化，一旦达到一定的临界点，将无法再形成压力拱，如果此时没有采取支护措施或者支护的强度不够，就很容易出现地层失稳，从而引起地面的塌陷。
（2）管线渗漏水引发地面塌陷。由于隧道施工都是在地下进行，而我国各大城市的地下排水管道普遍地存在着漕漏现象，而且某些管道的渗漏极为严重。所以由于地下管线的渗漏导致路面塌陷的情况也不少见。具体发生机制是隧道施工进行时会产生一定的扰动作用，城市隧道施工导致的地下管线破坏一般有两种模式，一种是在附加的拉力和应力作用下管道出现裂缝，甚至还可能发生破裂，从而会让管道失去正常的工作能力[3]；第二种情况是管段虽然完好无损，但是管段之间的接头出现问题，不能保持完全的封闭状态从而发生大量的渗漏。这两种模式都会破坏管道，也有可能是二者同时发生导致管道破坏。
（3）地层中不良地质体遭到破坏进而引发地面塌陷现象。从本质上来说，这种情况引发的地面塌陷是因为地层中空洞发生了坍塌与破坏，从而引起地层空洞上方地层中出现力学上的不平衡，这种不平衡逐渐加剧就会引起地面塌陷。而空洞之所以会被破坏是因为隧道施工时产生了扰动作用。当两个或者若干个空洞合成一个时，空洞的面积就会增大，这回导致空洞上方的覆盖地层变薄。同样根据普氏的压力拱理论，当空洞断面扩大到一定程度时，上方地层内的拱结构将会被破坏，从而产生不稳定，无法再形成新的压力拱，久而久之便会引发塌陷现象的发生。
三、城市隧道施工诱发地面塌陷问题的控制分析
上文对隧道施工诱发地面塌陷灾变机制的情况进行了详细的介绍，既然有三种原因，那么要进行控制也需要视具体情况而定。因此，笔者将会根据机制原理的不同提出不同的安全控制手段和技术。
（1）地下管线破坏引发的地面塌陷控制技术。上文已经对这种情况的发生进行了分析，因此要控制此种机制导致的地面塌陷首先就需要采取有效的措施确保地下管道的安全，保证其不会受到施工的影响。在进行施工前首先要对施工场所区域内管道的分布情况进行详细的了解，虽然埋在地下的管道所属单位众多，而且还可能存在一些单位不明的管线，这给管线的了解工作带来了较大的难题，但是施工方为了保证施工的安全，仍然需要在这方面做足工夫[4]。可以通过各单位提供的管线设计图纸等资料摸清情况，还可以结合现场的调查来获得详细的地下管线分布信息，在必要时还要采取一定的方法进行相关的探查工作。在此基础上制定出管道变形的合理控制标准，这样才能确保管线在具体的隧道施工中的安全。如果发现有原本已经被严重破坏的管线则应该及时地处理，不仅是防止施工意外发生，还能够完善城市的管道系统。而那些年代久远、质量不达标的管线则应该在施工前采用相应的方法进行加固工作，以提高其抗干扰能力[5]。另外，在进行施工的过程中，还应该对管线的安全情况进行监测，这是一项必不可少的工作。具体的监测方法有直接测点和间接测点这两种，但是由于施工区域一般比较复杂，要实现直接测点难度较大，除非特别重要的管线监测时才会排除万难使用，大部分情况下都是采用间接监测的方法。
（2）地层中不良地质体遭到破坏引发地面塌陷的控制措施。与管线破坏引发的地面塌陷一样，要对这种情况下的问题进行控制首先也是要对不良地质体进行超前的情况摸底，也就是地质探测。并根据探测情况，分别对地质松散区、空洞区以及富水区采取相应措施有针对性地进行处理。一般来说，地质松散区埋深非常浅，可以采取注浆加固的方法进行处理，也就是说需要在地面打孔以设置好注浆管。同时为了防止空洞区附近区域内在进行注浆时浆液会扩散，因此对空洞区外侧部分要用注浆导管压注水泥浆液[6]。而富水区的处理则更加复杂，由于地层水量过多主要是因为地层滞水以及管线发生渗漏所致，因此在进行处理时需要探明此处是否有其他水源，如果有自来水管道相通则应该进行堵漏。第二个步骤是要采取相关措施对不良地质进行恰当的改良。
四、小结
上文对城市隧道施工诱发地面塌陷发生的三种可能的灾变机制进行了细致分析，而且对后两种情况导致地面塌陷提出了具有针对性的控制措施和技术。但是归根结底，那只是微观层面上的具体建议措施。笔者认为，要最大程度地杜绝同类事故的再次发生，还需要从宏观上具备谨慎意识，所以笔者提出了以下几项注意事项：
（1）在平时的经济建设中注意保护地质环境，尽可能地减少不良土体。这就要求相关部门要颁布政策，严格地限制地下矿产的开采，同时减少地下水的抽取规模，保证地下水位的下降幅度在可控范围之内。只有保护好地质环境，才能从根本上减少地面塌陷的发生。
（2）强化地面塌陷的地质调查工作。相关部门应该在全省范围内或者全市范围内进行一次系统的地质情况调查，弄清楚地质不良区域的所在，预测出事故易发地段，同时圈出灾害严重区域。还应该对容易出现塌陷问题区域内的建筑物、厂矿或者城镇进行实时地处理，以减少潜在风险的破坏程度。
（3）全民都应该具备预防意识，相关部门要对地质情况进行跟踪监测，综合各方面的信息，及时地对可能出现的问题进行预测，这样至少可以减少事故发生后导致的生命财产损失。同时，对施工处的地面塌陷演变趋势进行事先了解，以便采取下一步的措施，尽可能减少损失[7]。
（4）对地面塌陷事故要有清晰地认识，要及时果断地采取工程治理措施。比如对一些可能产生严重危害市民生命财产安全的灾害点，应该果断地让人们搬迁，或者事先进行大规模的注浆填充处理，总之应该采取合适的方法进行处理，而不能等到事故发生后才行动，那样将损失重大。
总之，地铁建设是擴展城市生存空间、改善城市交通的有效手段，因而国内未来的隧道施工工程将会越来越多，而由此诱发的地面塌陷问题也将日益严峻。我们应该从宏观以及微观的层面，采取各种措施对此问题加以控制。