浅埋隧道施工监测探讨

2015-10-21马永健张武英

建筑工程技术与设计 2015年21期

关键词：隧道

马永健张武英

摘要：结合大安沟隧道施工过程，对该隧道施工进行现场监测与分析，结果表明：（1）隧道开挖支护后，裂隙较发育，存在有岩层位移、介质失稳等潜在危险，应当及时进行支护增强；（2）隧道周边收敛呈现不规整性，在监测初期呈现扩张趋势，而逐渐转入收缩阶段，并且之后不会再出现明显的扩张现象；（3）拱顶沉降呈现"抛物线"型规律，沉降阶段划分为迅速沉降阶段和缓和逐渐趋于稳定阶段。该研究结果，不仅为浅埋隧道支护设计提供了有力依据，还对隧道施工起到了一定的指导作用。

关键词：隧道；周边收敛；拱顶沉降；施工监测

Study of Shallow Tunnel construction monitoring

-- In Case of Da'an Tunnel

MA Yongjian 1 ZHANG Wuying 2

（1. Institute of Remote Sensing Application of ARSC，Xi'an 710000；

2.Beijing Tiecheng Construction Supervision CO.， Limited，Beijing 100855）

Abstract： Combined with the Da'an tunnel construction process， the tunnel construction site monitoring and analysis， and the results show that：（1）After the tunnel excavation and support， fracture is developed， there is rock displacement， instability and other potentially dangerous medium， enhanced support should be timely；（2）Tunneling convergence presents irregularity， showing expansion in the early trend monitoring， and gradually into the contraction phase， and thereafter no longer significant expansion phenomenon；（3）Tunnel crown settlement presents "parabolic" type law， and the phases of crown settlement divided into rapid subsidence stage and ease gradually stabilized stage. The findings not only provide a strong basis for Shallow tunnel support design but also the construction of the tunnel has played a guiding role.

Keywords：Tunnel； Surrounding convergence； Crown settlement； Construction monitoring

引言

浅埋隧道最大特点为埋深浅，在隧道开挖过程中对地层扰动较大，地应力平衡和地应力重新分配明显，并且对地表工程、周边环境造成较大的影响和破坏，而地质环境的复杂和隧道埋深的减小更加大了浅埋隧道掘进造成的地层扰动。因此，浅埋隧道的施工更应注意隧道设计和施工技术选择[1-4]。在现有浅埋隧道施工中，以明挖（盖挖）法、盾构法和浅埋暗，

挖法为主，而浅埋暗挖法因占用地表面积小，埋深要求低，适用于不同断面，对地层扰动小对周边交通和环境影响小，造价低而优于其他方法[2]。面对不同的地质水文条件，浅埋隧道施工面临着不同施工工艺的选择和更复杂的监控量测。随着信息化水平的提升，隧道开挖工艺实现信息化的施工，按照相关规程和设计要求，采用合理的监测手段和仪器，对浅埋隧道进行信息化、实时性的施工监测，并根据监测结果进行支护增强、选择二衬合理时机、验证支护形式和参数、评价施工质量等[2-7]。

本文以大安溝隧道为例，对其硬塑膨胀土浅埋段的现场监测与分析，探讨了隧道施工过程中监控方案布置及监控内容，其为浅埋隧道监控、施工支护设计等提供了理论依据。

1大安沟隧道概况

大安沟隧道是京昆客运专线陕西段组成部分，位于陕西省汉中市，里程DK313+905.57～DgK314+660.00，总长754.43m。隧道最大埋深108m，里程DK314+107.00，DgK314+360～+415、DgK314+573～+603及隧道进出口处埋深较浅，最小埋深位于西安端洞口处，距离衬砌边缘仅4m。隧道设计为单洞双线形式，除进口处176.734m位于直线上外，其余端位于R-9000m曲线上，纵坡为6‰单面上坡。隧道穿越地层主要为志留系中上统页岩，局部夹灰岩窄条带，以黏土类矿物为主，层间结合力较差，层状构造，岩体局部揉皱发育，节理较发育，风化层厚约2～18m，洞口出进口处有局部第四系全新统坡积硬塑膨胀土，整个洞深地质环境复杂，地下含水以基岩裂隙水最为广泛，施工条件恶劣。

2隧道施工与监控

2.1施工技术要求

大安沟隧道施工利用暗挖法结合地质和水文地质状况，并将新奥法施工技术应用到隧道开挖技术中，采用开挖-初期支护-二衬施工流程，其中初衬锚固喷砂支护，二衬模筑衬砌起到再次支护和美观效果，初衬和二衬共同承担地层变化地应力重构荷载，并在施工过程中修构明沟暗渠保证工程的顺利进行。整个施工流程采用多种技术手段和仪器设备，其中高精度全站仪从隧道断面开挖和支护、监测整个过程中起着至关重要的作用[2]。再配合现有的数字化监测系统，形成一套集设计、施工、监测在内完整的信息反馈、实时更新、数据共享和统计的数字化体系[2，3]。

2.2 施工监控方案

浅埋隧道施工最大隐患即为由于施工设计和技术设施不当而形成的隧道承载拱附加荷载瞬间急剧增大，造成隧道扭曲，引起隧道坍塌或地面急剧下沉。因此在施工过程中要遵循管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭和勤量测原则，保证隧道施工的顺利进行。在施工过程中，按照隧道施工技术和监测要求[5]，建立了数字化施工设计和监测平台，将浅埋暗挖法和新奥法隧道设计和施工思想融入到隧道设计、施工、支护、监测过程中，形成完整的数字化监控平台：（1）隧道设计阶段，对地质和水文地质情况进行细致勘探，并对可能存在隐患的位置进行明确标注；（2）施工阶段，遵循隧道开挖技术要求，少扰动，弱爆破，利用全站仪对爆破位置选择进行放样监测，严格按照隧道施工技术要求和施工设计来进行施工；（3）支护过程要严格按照设计过早进行隧道衬砌锚固，初期支护要注重支护的刚度和强度，有效抑制地层来压，二衬支护要注重衬砌时机和参数的选择，保证长期隧道荷载的全部承担；（4）监测过程分布于整个施工过程及工程完成阶段，布置有效的监测点，选择满足精度的仪器，根据隧道地质条件和施工情况及时进行监测，实时更新监测数据，并对监测数据进行统计分析，直到数据变化起伏满足要求。整个过程中，施工和监测数据都会以数字化信息的形式实时在设计监测平台更新，在任何位置出现的预警信息进行及时处理，并对处理情况进行统计和更新。

2.3现场监控测试

2.3.1 地质与支护状况观察

隧道每次爆破后，都应分别对没有支护的围岩和开挖后已进行支护地段进行观察和监测。其中，对开挖掌子面进行目测，主要包括开挖掌子面的稳定状态，岩质种类、分布状态和岩性特征，是否有断层及断层性质，顶板有无脱落，是否存在裂隙水，地下水的分布状况等，并和设计进行核对，根据实际情况及时调节，并对存在的预警信息进行统计分析和解决。每次爆破后对已支护地段目测主要包括初衬是否存在较大裂纹，锚固和支护钢拱是否稳定，初衬施工质量，底板是否出现底鼓现象等，也需要将监测信息及时统计分析。

2.3.2 拱顶沉降及周边收敛量测

隧道开挖，地应力发生改变，造成隧道周边发生趋向于隧道中心的变形称为"收敛"，其是隧道施工最基本的监测内容，是判斷围岩移动最主要的监测数据，参照其结果可以对隧道围岩稳定性，推算围岩位移速度和最大位移量，初期支护稳定性和二衬时机等。而对于浅埋隧道来说，隧道开挖对岩层稳定性造成的破坏更大，拱顶沉降量测是重要监测内容，数据可以直接体现支护效果，为施工质量的保证提供了最基本资料。

隧道开挖后，沿隧道周边拱腰和边墙部位分别埋设测桩，为了方便统计分析，拱顶沉降和周边收敛测点布置在同一隧道断面。其中，拱顶沉降点按照原则布设在拱顶轴线附近，按照隧道开挖方式，布设了同一断面内布设了三条周边收敛量测基线，分别为1，2，3号，基线两端测点在同一水平面上，见图1。根据规程和隧道设计要求，拱顶沉降选用0.5″～1mm+1ppm/3.0″全站仪，周边收敛量测选用0.5″～1mm+1ppm/3.0″全站仪和收敛计，观测周期为1次/d（位移速度≧5mm，2次/d）。

图1 拱顶沉降及周边收敛测点布置示意图

注：1，2，3分别为周边收敛量测3条测线；G点为拱顶沉降观测点

3监控结果分析

3.1 地质及支护状况分析

大安沟隧道西安段洞口处为硬塑膨胀土，以黏土矿物为主，对环境的湿热变化比较敏感。在隧道开挖观察过程中，出现裂隙带较发育，一般间距在0.2m-0.3m，裂隙面不规整，延伸段，形式类似蝌蚪状，岩体间较干燥，而在未出现裂隙带位置，岩体较湿润，而这主要是由于硬塑膨胀土吸水后膨胀，而隧道开挖和裂隙水的流失，造成膨胀土失水收缩，形成不规整、分布不均的裂隙带。易发生变形、岩层位移、拱顶剥落、介质失稳等现象，应该注重初期支护质量和隧道压力监测。

3.2 大安沟隧道周边收敛量测数据分析

从周边收敛时态曲线（图2）可以看出：

（1）大安沟隧道周边收敛曲线呈现不规整性，隧道洞身收缩和扩张不稳定，但收敛振幅在-6mm～6mm，满足相关规程和设计要求，收缩和扩张最值都发生在2号观测线，即偏于隧道中腰位置；

（2）整个监测过程中，监测初期隧道收缩和扩张变化速率小，最不稳定期有三段B1、B2和B3，三个阶段隧道周边收敛平均速率分别为1.4mm/d、1.2mm/d和1.1mm/d，说明隧道周边收敛过程呈现阶段性快速变化，而在阶段性间隙存在缓和期和应力变化磨合期；

（3）隧道周边收敛在初期都呈现扩张现象，而后15～20天后，周边收敛向收缩方向发展，并且没有再出现明显的扩张现象。

大安沟隧道周边收敛呈现这种现象，主要是受到硬塑膨胀土地质条件影响，其次受到工程施工和裂隙水的影响，在吸水膨胀和失水收缩的影响下，周边收敛呈现不规整性和阶段性周边收敛变化幅度大的现象。

图2 GDXC313+922周边收敛测试图

3.2 大安沟隧道拱顶沉降量测数据分析

从拱顶沉降时态曲线（图3）可以看出：

（1）大安沟隧道拱顶沉降值在《铁路隧道监控量测技术规程》（J721-2007）允许范围内[5]，拱顶沉陷范围在35.6mm内，拱顶稳定时间在45天左右；

（2）隧道开挖初期，拱顶沉降速率较大，当隧道开挖通过一定距离，沉降速率逐步减小并最终趋于稳定；

（3）通过数据拟合，隧道拱顶沉降-时间曲线呈现"抛物线"型规律，曲线特征表现为在变形稳定之前呈现两个典型阶段：①快速增长阶段：持续时间为13天左右，日平均速率为2mm/d；②缓慢增长-趋稳阶段：持续时间为30天左右，日平均沉降速率为0.4 mm/d；