黄土隧道围岩预警技术体系初探

■李志宏 ■山西省晋中路桥建设集团有限公司，山西 晋中 030600

黄土是第四系堆积的陆相沉积物，按地层学依次为全新世黄土、马兰黄土、离石黄土、午城黄土。其特点具有大孔隙，有垂直节理，强度随含水率的变化明显，有较强的湿陷性;公路隧道由于跨径大、断面大、和扁平状特点再加上黄土不稳定性，开挖扰动后围岩变形影响因素众多，各类规范规定分散，初步结合工程实践制定以下预警体系。

黄土隧道围岩预警体系

1 预警指标

预警指标是预警技术体系的前提。根据监控量测计划中监测项目，结合工程实际、管理方要求、专家评审主要选定指标:1、变形累计允许最大值2、变形速率、3 变形加速度。

变形累计允许最大值指满足围岩下沉不侵入二衬，保证隧道不产生有害松动的条件下，自隧道开挖到变形稳定时变形数值。用周边水平位移总量和拱顶下沉总量U 表示。变形速率即单位时间变形率，用V 表示。以上两个指标受隧道地质条件、埋深、断面尺寸、支护参数、施工工法影响精确性不高，波动大，单独使用有局限性;以往监控量测发现，变形加速度可以反映围岩变化趋势，大于零时，说明围岩变形加速;小于零时说明围岩变形减缓;等于零时，说明围岩变形延续。一般情况测量断面开挖通过及再次扰动时变形加速度大于零，且延续时间较短，围岩未扰动时出现加速度大于零属围岩异常。这三个指标综合取定后为定量指标，可以分围岩等级及洞口段设置。另外，地表下沉作为洞口指标单独设置，洞内外观察作为定性指标推荐使用，超前地质预报作为强制性指标使用。具体计算办法参照《公路隧道施工监测规范》。

U1 为计算最大允许变形值;U2 施工单位经验值;U3 设计预留变形量

2 影响因素

影响因素是预警技术体系的基础。通过列举法把黄土隧道影响围岩稳定因素进行初步整理。参考勘察、设计、施工、监控量测规范涉及公路黄土隧道围岩稳定因素的整合。影响因素考虑建设工程全过程管理，其中勘察设计阶段的影响因素占决定性因素，但波动性小，主要考虑设计规范动态化设计、信息化施工理念，正常施工时期作为施工阶段的固定因素考虑，不得擅自随意更改，笔者作为施工人员仅做简要选定;施工阶段的影响因素较多，易受施工条件、人员素质、施工队伍水平、机械化程度等非技术性因素干扰多。不同的因素影响的程度不同，可以按照敏感性进行分类;体系中影响因素是工程建设的蓝本，应根据不同的项目，针对性修正;下面是笔者案例中制定的影响因素表。

3 应对措施

3.1 警戒措施

(1)4 小时内通知监理单位、设计代表，施工指示为黄灯;(2)加大监控量测频率;(3)会同监理单位对照影响因素检测是否有设计规范执行不到位，如有采用临时支护措施，双倍补强;(4)调整开挖进尺、放慢掌子面掘进，缩短仰拱二衬距掌子面距离;(5)拱架底部夯实，加大临时钢垫板;(6)设计单位复核勘察设计参数，经监理批准可暂时增加系统锚杆及锁脚锚杆。

3.2 应急措施

(1)1 小时内通知监理、设计、业主，暂停掘进，施工指示为红灯，对人员机械进出严格管控;(2)对拱顶及拱脚采用临时钢支撑，必要时对台阶部位返回填;(3)仰拱在临时支撑下，以2 米为单位半幅浇筑，二衬持续跟进;(4)对未成环拱架增设锚杆，临时支撑;(5)结合警戒期间复核设计参数对后续设计进行系统调整;(6)应急段落围岩稳定后，二衬浇筑强度满足要求解除;如发现失稳征兆，迅速撤离人员。

案例:油坊沟隧道位于兴县油坊沟东南，设计为左右分离式，右洞全长1175 米，左洞全长1170 米。隧道地层由老到新依次三叠系二马营组砂岩，第三系静乐组粉土，第四系上更新马兰组黄土，围岩等级为IV、V 级。地形地貌为梁峁状中低山区，呈东西走向。洞体最大埋深97.5 米，岢岚端自然坡20 度，右洞进口40 米有偏压，临县端自然坡15度，出口90 米属浅埋段。隧道净宽10.25 米，限高5 米。V 级围岩采用预留核心土环形开挖，IV 级采用上下断面正台阶开挖。

3.3 预警指标

(1)U:允许最大变形值

计算允许最大变形值:V 级U1=11.25* 0.008=0.09m;IV 级U1=11.25* 003=0.03m

经验最大变形值:V 级U1=0.1-0.15m;IV 级U1=0.05-0.1m;洞口浅埋偏压增加0.1m

设计预留变形值:U3=0.05m

V 级U=(U1 +U2)/2 +U3=15cm;IV 级U=(U1 +U2)/2 +U3=8cm;洞口浅埋偏压段落增加5cm

(2)管理等级

U0 为经回归计算实测最大变形值。

该隧道启动警戒措施4 次，应急措施1 次。主要原因:(1)施工人员掘进、仰拱、二衬安全步距不能严格执行强制性标准;(2)部分段落喷锚支护系统不规范，存在随意变动;(3)工字钢连接不认真，间距偏差大;(4)特殊段落(洞口、浅埋、偏压段V 级围岩环形开挖留核心土工法保证性不强，扰动次数多，变形累计大，推荐使用侧壁导坑法;(5)勘察设计对小型冲沟陷坑及仰坡重视程度不够，设计不够详尽。

4 结论

(1)特殊段落变形指标偏小，需要更科学的方法研究极限变形指标，案例应急措施段最大累计变形45cm，有3 米段落进行换拱处理事故，建议优先考虑侧壁导坑法;(2)变形的主要诱导因素是施工队伍设计规范执行不够严格，需提高管理措施;勘察设计细节部位需要加强，本例应急段落就是由于距洞口50 米处横穿隧道小冲沟引发，勘察设计影响因素更明显。

以上是对黄土隧道围岩预警技术体系的简要探讨，它和管理体系、组织体系共同作用。一方面减少侵限事故，控制围岩变形，避免失稳发生。另一方面，通过体系运行文件记录，为动态化隧道设计，安全科学施工，持续改进公路黄土隧道技术提供基础资料。当然，文中不足之处甚多，需要进一步学习提高，以便更好服务于隧道建设。

［1］《黄土公路隧道工程》人民交通出版社，康军，2011.

［2］《公路隧道设计与施工新法及应用》人民交通出版社，朱汉华，2010.

［3］《公路工程地质勘察规范》JTGC20-2011.

［4］《公路工程隧道施工技术规范》JTGF60-2009.

［5］《公路工程隧道设计规范》JTGD70-2004.