监控量测在姜路岭隧道大变形治理中的应用

程 曦

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

监控量测在姜路岭隧道大变形治理中的应用

程 曦

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

姜路岭隧道是青海省共玉高速公路上具有代表性的大变形隧道，施工过程中曾发生过若干次大变形，给施工造成极大困难，也曾一度使施工处于停滞状态。通过现场观察和拱顶下沉、周边收敛等量测，运用换拱、增设临时钢支撑、加强支护参数、增大预留变形量等技术对该隧道大变形段进行处治，获得满意效果。

监控量测；多年冻土隧道；炭质页岩；大变形

1 工程概况

姜路岭隧道是青海省共和至玉树高速公路上一座单向2车道隧道，其按高速公路上下行分离的独立双洞布置，海拔高度超过4 280 m。隧址区属典型高原大陆性半干旱气候，其特点是：冬季寒冷漫长，多风雪；夏季凉爽短促，雨水较充足；终年霜雪不断，昼夜温差大，植被少，空气稀薄，气压低，日照充足，全年冰冻期长达7个月。

姜路岭隧道具有2大特点：1) 隧道南北坡进出口及山顶处为连续多年冻土区，冻土冻结时，岩土体强度较大；但多年冻土开挖融化后，含亚粘土的碎石土呈软塑状，裂隙张开，强度极低，易风化呈碎块状，成洞极为困难，且受反复冻融作用，洞身极易变形[1]。2) 整座隧道掘进过程中出露的围岩几乎均为炭质页岩，开挖支护后其受构造及深埋挤压影响，变形较大且时间较长，并出现周期性变形。施工过程中经常出现钢支撑纵向扭曲和径向变形、初期支护混凝土开裂掉块等现象，其对初期支护破坏力极强，极易发生初期支护变形侵限及坍方事故[2]。

姜路岭隧道施工期间，初期支护频繁出现大变形，施工一度陷入停滞状态。大变形由冻土融沉及炭质页岩挤压变形等诸多因素所致，其也成为该隧道施工的技术难题。因此，隧道施工过程中的监控量测具有十分重要的作用。

2 监控量测内容

姜路岭隧道施工过程中，监控量测遵循“严守施工规范、服务隧道施工；紧贴隧道实际,保证经济安全”的原则，保证必测项目及时、准确地实施，并根据工程实际揭露的围岩条件和隧道施工情况，合理开展有针对性的、有代表性的选测项目测试，及时整理、快速分析测试结果，及时反馈并指导设计施工优化。必测项目包括洞内观察、周边位移、拱顶下沉、地表下沉；选测项目包括锚杆轴力、围岩内部位移、围岩与初期支护压力、初期支护与2次衬砌压力、钢支撑应力、初期支护混凝土内应力、2次衬砌应力。

3 基于监控量测的大变形原因分析

3.1 地表及套拱开裂原因分析

姜路岭隧道出口浅埋段施工过程中，对洞口段地表开展了监控量测，测点布置如图1所示。隧道进出口端地表沉降量均较大，产生了多条不同程度的裂缝，如图2所示。同时，出口端左洞套拱左上方有1条长0.2 m、宽2～3 mm的裂缝，套拱和暗洞交界处左侧有1条长7 m、宽5 mm的环向裂缝，右侧有1条长6 m、宽3 mm的环向裂缝，洞内存在多处滴状渗水现象；出口端右洞情况类似。套拱裂缝如图3所示。

监控数据显示，隧道出口左洞ZK332+610断面地表沉降位移最大处集中在拱顶正上方各测点，从开始量测起算，5 d内最大累计下沉量为36.3 mm，量测至第34天时最大累计沉降量为314.3 mm。右洞YK332+500断面地表沉降位移最大处同样集中在拱顶上方，从开始量测起算7 d内最大累计下沉量为47.6 mm，量测至第64天时最大累计沉降量为377.6 mm。ZK332+610和YK332+500断面地表沉降时空曲线分别如图4、图5所示。

图1 地表监测点布置

图2 出口端地表裂缝

图3 套拱裂缝

图4 ZK332+610断面地表沉降时空曲线

图5 YK332+500断面地表沉降时空曲线

监测结果表明，姜路岭隧道洞口地表沉降的特点为发展速度快、累计沉降量大。现场观测发现，姜路岭隧道洞口浅埋段为多年冻土区，冻土中的各种冰融化后体积缩小，致使土因自重下沉；冰融化成水后通过孔隙逐渐排出，致使土压密而进一步下沉。同时，土粒及其集合体在融化时由于水化作用而膨胀，随即产生冻土融沉现象，若不有效控制，地表沉降量则会持续增大。而冻土融化主要受以下因素影响：1) 开挖扰动[3]；2) 混凝土水化热；3) 白天日照强且持续时间长[4]；4) 施工期间施工工艺及工序控制不佳。隧道洞口段地表各区域由于沉降速度不同而产生裂缝，洞口套拱由于上部土体沉降不均致使受力不均，从而产生不规则裂缝。

3.2 初期支护大变形原因分析

随着地表裂缝的发展，姜路岭隧道初期支护拱顶下沉及周边收敛值也快速增长，频频出现纵向裂缝、拱部钢支撑严重扭曲变形、边墙挤出等现象，从而造成隧道初期支护侵限，如图6～8所示。为了掌握该大变形区段的围岩变化状态，在该段变形初期就对其加强了现场监控量测[5]。其中拱顶下沉和周边收敛量测测点间距加密至5 m一个量测断面，选测项目的布置也较原计划有所增加。

图6 初期支护边墙挤出

图7 初期支护侵限

图8 钢支撑扭曲变形

下面给出姜路岭隧道部分初期支护拱顶下沉及周边收敛值较大断面的监控量测数据：

1) ZK332+605断面初期支护侵限，监控量测数据如图9所示。由图9可以看出，从开始测量起算，该断面拱顶下沉7 d累计最大值为95.2 mm(右侧点)，46 d累计最大值为344.7 mm；周边收敛7 d累计最大值为104.4 mm，46 d累计最大值为416.5 mm，且边墙已出现明显的挤出现象。

2) YK332+479断面初期支护侵限，监控量测数据如图10所示。由图10可以看出，从开始测量起算，该断面拱顶下沉7 d累计最大值为34.2 mm(右侧点)，60 d累计最大值为267.4 mm；周边收敛7 d累计最大值为17.5 mm，60 d累计最大值为171.2 mm。

图9 ZK332+605断面拱顶下沉及周边收敛时空曲线

图10 YK332+479断面拱顶下沉及周边收敛时空曲线

由以上数据可知，监测断面的变形速率快且累计变形值大，其主要原因为：姜路岭隧道全线穿越炭质页岩地层，其强度低，局部段落围岩含水[6]，岩体极破碎，围岩稳定性差，隧道开挖后，围岩卸荷体积膨胀，隧道周边围岩在强大碎胀力和水胀力的共同作用下，迅速发生变形，当碎胀力和水胀力的合力超过围岩体的承载力时，围岩体便会发生塑性变形，继而产生流变，引起初期支护持续变形。初期支护变形速度快，持续时间长，累计变形量大，严重影响了隧道工程施工[7]。

3.3 2次衬砌开裂及仰拱底鼓原因分析

姜路岭隧道在2次衬砌施作完毕后，仍持续进行了监控量测。量测发现，ZK331+780～ZK331+890段仰拱底鼓，出现明显的压碎现象，且仰拱填充和仰拱分离、脱开，仰拱完全破坏，如图11所示；ZK330+703.7～ZK330+727.5段2次衬砌出现了较大开裂，衬砌变形，混凝土出现剥落，如图12所示。

2014年1月7日至2016年4月18日，对姜路岭隧道仰拱底鼓段2次衬砌典型断面ZK331+780断面进行了持续观测，并绘制出位移时空曲线，如图13(a)所示；2013年11月5日至2016年4月19日，对姜路岭隧道仰拱底鼓段2次衬砌典型断面ZK331+830断面进行了持续观测，并绘制出位移时空曲线，如图13(b)所示。图13中，“拱顶”代表拱顶沉降累计值，“左侧”代表左边墙周边收敛累计值；“右侧”代表右边墙周边收敛累计值。

图11 仰拱底鼓

图12 衬砌混凝土开裂、剥落

图13 姜路岭隧道仰拱底鼓段典型断面2次衬砌累计沉降值时空曲线

由图13可以看出，2次衬砌断面均在持续缓慢地变形，但最终沉降值均趋于稳定。ZK331+780断面390 d最大累计沉降值为286 mm，ZK331+830断面327 d最大周边收敛值为232 mm。

造成2次衬砌开裂及仰拱底鼓的原因较为复杂，可能包括：1) 地质原因。受炭质页岩软弱易变形的性质影响，施作完2次衬砌后，隧道周围岩体持续产生蠕变，产生受力不均，造成2次衬砌开裂[8]。2) 2次衬砌施作时机不当[9]。在围岩变形未趋于稳定的状态下，盲目地过早进行2次衬砌施工，使2次衬砌施作完毕后承受了较大荷载，从而产生裂缝。3) 岩体对底板的挤压。隧道两侧岩体在垂直应力作用下挤压底板，使底板受水平应力作用向隧道内鼓起。4) 水对底板的作用。底板中的炭质页岩遇水体积膨胀，并使围岩强度降低，结构松散，易崩解、破碎。

4 大变形治理措施[10]

4.1 地表开裂治理

姜路岭隧道洞口段地表和边仰坡出现裂纹后,采取了以下措施进行治理：1) 加强了地表裂缝和沉降的观测；2) 对洞口边仰坡进行了锚喷支护，防止裂缝扩大，仰坡失稳；3) 对地表已开挖土体进行覆盖，并在表面喷射混凝土封闭；4) 地表铺设了防晒保温层；5) 尽量在夜间施工，这样冻土就不易产生融沉现象。

4.2 初支大变形治理

为了保证隧道施工安全，避免其变形过大或围岩坍塌，在初期支护大变形产生后立即停止掌子面掘进，并根据初期支护的变形情况采用相应的处治措施。

4.2.1 针对侵限断面进行换拱

对已侵入隧道内轮廓线的断面采用换拱方式进行处治，换拱步骤如下：

1) 换拱前加固。(1) 在换拱段下方进行反压回填，以形成拆除施工工作台；(2) 对变形引起的初期支护开裂、破损，采用C25喷射混凝土补喷封闭；(3) 对换拱段拱背围岩进行注浆加固，避免出现因换拱引起的坍塌。

2) 对变形段初期支护进行拆除。加固处理完后，采用液压破碎锤对已变形的初期支护进行拆除，每次拆除长度不得大于一榀拱架。

3) 恢复原设计初期支护。在换拱的同时持续开展监控量测，时刻监控围岩变形情况，确保施工安全。

4.2.2 对未侵限大变形断面进行加固

根据地质特点、支护情况、监控数据和开裂情况，结合未侵限的大变形段落2次衬砌的施工时间，为避免初期支护侵限带来的后期换拱处理，对该段落进行了如下加固处理：

1) 对变形开裂的段落增设临时钢支撑，钢支撑采用20 b工字钢，间距为0.6 m。

2) 临时钢支撑与初期支护间增加木楔顶紧，每隔最多1.0 m增加1道木楔，使钢支撑与初期支护紧密接触，共同受力。

3) 钢支撑之间设置纵向连接钢筋，环向间距1.0 m。

4) 为减少后期2次衬砌受力，提高围岩的自稳性，对该段增设Φ42 mm径向注浆小导管加固，以形成有效加固圈。径向注浆小导管纵向间距1.2 m，环向间距1.0 m，长4.0 m。

5) 加快加固段落的2次衬砌施工，2次衬砌施工时分段拆除临时加固钢支撑。

6) 在确保作业人员安全的前提下加强观测及加密监测。

4.2.3 后续施工中加强初期支护参数

姜路岭隧道出口左洞ZK331+640～+620段初期支护原设计为I22a型钢，施工中实际采用H型钢支撑。从肉眼观测看，H型钢支撑初期支护并没有发生明显的变形开裂和剥落现象，也没有发生严重的变形挤出，其变形控制能力较I22a工字钢要好，这从围岩监控量测数据分析也能得到印证。将姜路岭隧道初期支护采用H型钢与I22a工字钢的断面变形数据绘制成位移时空曲线，其拱顶沉降曲线如图14所示，周边收敛曲线如图15所示。图14、图15中，断面ZK331+670、ZK331+660、ZK331+650为I22a工字钢初期支护，断面ZK331+635、ZK331+630为H型钢支撑初期支护。

分析图14、图15可知，初期支护改用H型钢支撑后，拱顶沉降和周边收敛变形速率和累计变形量都有所减小。图14中ZK331+670、ZK331+660、ZK331+650断面(采用I22a工字钢)的拱顶沉降速率均大于ZK331+635、ZK331+630断面(采用H型钢)。图15中ZK331+670断面的初始变形速率较ZK331+635断面要小，这是因为监控期间掌子面并没有开挖，当量测进行到第6～15天时，随着隧道掌子面掘进，收敛位移曲线斜率明显增大，说明位移速率增大，且比ZK331+635断面的都要大。总的来说，H型钢支撑初期支护可以将围岩变形速率控制在10 mm/d左右，但由于ZK331+635/630断面累计测量时间较短，其累计变形量并没有较强的说服力；但从其发展规律看，其变形速率有一定的收敛趋势，因此在给予相同变形时间的前提下，H型钢支撑初期支护断面的累计变形量也相对较小。

图14 姜路岭隧道拱顶沉降位移时空曲线

图15 姜路岭隧道周边收敛位移时空曲线

4.2.4 后续施工中增大预留变形量

为减少隧道初期支护侵限发生率，根据监控量测结果，施工中合理增大了开挖预留变形量。在不改变现有相关支护参数前提下，对姜路岭隧道监控数据进行了统计分析，发现姜路岭隧道各洞各监测断面的平均量测时间分别为：进口，左洞为30 d，右洞为32 d；出口，左洞31 d，右洞31 d。由于断面量测在铺挂防水布前要停测，因此，针对姜路岭隧道的施工进度，至少需给初期支护预留40 d的变形时间。本文根据平均变形速率来推算姜路岭隧道各个断面40 d累计变形量，见表1。

姜路岭隧道进口40 d累计变形量可取进口左右洞位移平均值进行估算，并由表1数据计算得出进口段可取400 mm；同理，出口可取450 mm。考虑到围岩开挖瞬间的位移量及布点时间延后造成的位移丢失，可追加50 mm的位移损失。因此，在不改变现有相关支护参数前提下，若2次衬砌滞后掌子面40 d施工，则隧道进、出口段可分别取预留变形量45、50 cm。此外，在后续施工中，可根据实际围岩变化和工程进度控制情况，灵活选择隧道开挖预留变形量。

表1 姜路岭隧道各个断面40 d累计变形量统计

监控量测还发现，有地下水渗滴出露的围岩段，围岩变形速率及总变形量远大于普通量测断面。因此，在这种围岩条件下，可采用双层初期支护，或将预留变形量扩大至80 cm，以确保2次衬砌净空尺寸。

4.3 2次衬砌开裂及仰拱底鼓治理

4.3.1 仰拱底鼓处治

处治前，应核查隧道净空断面是否满足设计要求。如满足要求，则仅需对仰拱进行处理；如不满足要求，则需拆除全部2次衬砌并重新施作。鉴于姜路岭隧道仰拱混凝土已经出现挤压破碎，仰拱填充和仰拱之间出现很大的脱空，仰拱已经失去承载能力，故可对该段衬砌拱脚进行加固并重新施作仰拱。加固衬砌拱脚时，在拱脚部位需增设2排锁脚钢管注浆。采用长6.5 m，Φ76 mm@50 cm×50 cm钢管注浆。钢管应与水平面呈30°，钢管内设置2根Φ22 mm钢筋，并注浆密实。另外，需拆除破坏段既有仰拱和填充，重新施作仰拱和填充，且仰拱段需增设初期支护。仰拱应分段拆除，每次拆除长度不大于2.5 m，并需做好初期支护和仰拱后才能拆换下一段。

4.3.2 2次衬砌开裂处治

由于姜路岭隧道拱部混凝土已经出现较大开裂，且已出现混凝土剥落现象，故应对开裂衬砌混凝土进行拆换。拆换前，需对隧道围岩进行全断面加固注浆处理。采用长4.5 m，Φ42 mm注浆小导管加固，注浆管间距@0.5 m×0.5 m，梅花形布置。注浆加固前，应对开裂衬砌混凝土端头的纵向排水管封堵，以防止浆液窜流堵塞纵向排水管。加固完成后，拆除起拱线以上2次衬砌混凝土。先拆除大桩号段一板混凝土，待新混凝土达到强度后再拆除和施作靠进口端的2次衬砌混凝土。2次衬砌采用原该段的厚度，2次衬砌主筋采用双层Φ25 mm@15 cm布置。

5 结束语

监控量测对于隧道大变形治理具有重要作用。在姜路岭隧道病害治理中，通过现场观察和围岩位移量测来判断围岩变形的时间、幅度和趋势，对工程抢险予以合理指导。另外，通过量测得到初期支护和2次衬砌的精确形变数值，其反馈了各项工程治理措施的效果，为大变形隧道制定更加准确、可靠的处治措施提供了依据。

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Application of Monitoring and Measuring in Large Deformation Treatment of Jiangluling Tunnel

CHENG Xi

Jiangluling tunnel is a typical large deformed tunnel on Gonghe-Yushu expressway in Qinghai province,there were several big deformations during construction,which caused great difficulty to the construction and once stagnated the construction. Through on-the-spot observation and measurement of arch settlement and peripheral convergence,the author applied technologies such as changing the arch,adding temporary steel support,increasing support parameters,increasing foreseen deformation,etc.,to treat the large deformation of the tunnel,the result is satisfying.

monitoring & measurement; permafrost tunnel; carbonaceous shale; large deformation

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.025

2016-08-26

程 曦(1985-)，男，重庆市人，硕士研究生，工程师。

1009-6477(2016)06-0115-07

U459.2

B