地铁隧道施工诱发地面塌陷的灾变机理及预测模型

近年来，我国地铁隧道施工中地面塌陷事故频发，造成了人民生命财产的重大损失。经统计发现：造成地面塌陷事故的两大关键因素分别为管线渗漏和地层空洞。城市地层中存在大量具有初始渗漏的给排水管线及地层空洞，地铁隧道往往近邻渗漏管线和地层空洞施工，施工的扰动作用一方面使管线渗漏加剧，促使其周围土体力学性质弱化甚至引发管线破裂涌水，另一方面使原本相对稳定的地层空洞失稳坍塌，这两种作用均易导致隧道上覆地层的失稳破坏进而引发地面塌陷事故。鉴于目前对于地铁隧道施工诱发地面塌陷的灾变机理及预测方法研究尚不深入，使得地面塌陷事故的防控缺乏科学性，本研究在统计分析大量地面塌陷事故案例的基础上，综合运用施工扰动理论、渗流理论、突变理论、颗粒流方法和模型试验方法，揭示地铁隧道施工中管线渗漏及地层空洞失稳诱发地面塌陷的灾变机理及影响因素，建立隧道上覆地层失稳判据及地面塌陷灾变预测模型，为地面塌陷的科学防控提供理论支撑。

近年来，我国地铁隧道施工中地面塌陷事故频发，造成了人民生命财产的重大损失。本研究在统计分析大量地面塌陷事故案例的基础上，采用模型试验、颗粒离散元模拟和理论分析等研究手段，揭示了地铁隧道施工中管线渗漏及地层空洞失稳诱发地面塌陷的灾变机理及影响因素，建立了隧道上覆地层失稳判据及地面塌陷灾变预测模型，为地面塌陷的科学防控提供重要的理论支撑。主要研究成果如下：（1）通过对北京地铁隧道施工诱发的地面塌陷事故统计分析，明确了地层空洞和管线渗漏水是隧道施工过程中地面塌陷的主要诱发因素，并将地面塌陷按形成方式划分为3种类型。（2）空洞的存在加速了地层破坏的发展进程，空洞与隧道空间位置关系对地层破坏有重要影响，隧道正上方的空洞受隧道开挖影响最大也最易失稳诱发地面塌陷；空洞直径越大，地层失稳破坏越剧烈，瞬时性越强；空洞群的存在使地层失稳破坏速度加快，但空洞自身的破坏形式并没有因为空洞群的存在而产生太大变化。（3）管线渗漏水弱化了地层的物理力学参数，削弱了隧道上覆地层的成拱效应；随着管线渗漏水范围的扩大，即使隧道不开挖其引起的地表沉降现象也越来越明显，地表沉降值和沉降范围也随之增大；管线渗漏范围的偏移会导致地表沉降最大点和地表沉降范围的偏移，同时也会导致地表塌陷位置的偏移；管线渗漏水范围会随着管线内水压力的增大而增加，由此导致的隧道开挖后地层破坏范围也相应的增大。（4）基于突变理论，建立了城市隧道施工诱发地面塌陷的预测模型，利用该模型可计算得到隧道上覆地层厚度的临界值，并将该临界值作为地面塌陷发生与否的判据；基于预测模型给出了地面塌陷的影响因素，并分析了各因素的影响规律；理论预测结果和现场实测数据基本吻合，验证了地面塌陷预测模型的合理性。（5）基于霍克-布朗破坏准则，采用泛函突变理论建立了浅埋隧道地面塌陷的突变模型，通过理论分析计算，建立了系统的总势能函数，进而推导给出了浅埋隧道坍塌体形状曲线的解析解；基于浅埋隧道坍塌的泛函突变模型，分析了围岩参数对坍塌体形状曲线的影响规律，并提出了深、浅埋隧道临界埋深的判据。