浅埋隧道地表监测简要分析

艾同 祝李京

公路隧道在洞口或者浅埋段开挖时，洞顶围岩风化严重，且覆盖土层较薄，隧道在开挖过程中土层受到爆破震动或者降雨影响，导致土层松散，破坏原有的土体力学平衡，从而引发隧道塌方冒顶事故，造成人员及财产损失，影响施工进度。地表监测数据能够有效地反应隧道上方岩土层沉降变化，对下一步的施工提供科学依据，有效控制爆破药量，避免施工安全事故的发生，节省施工工期。

一、背景资料

1.工程概况

湖北省麻城至竹溪高速公路大悟境段某隧道地处大悟县芳畈镇滚河村境内。隧道为上、下行分离的四车道高速公路隧道，隧道左线起讫桩号为ZK73+240.00～ZK74+160.00，隧道右线起讫桩号为ZK73+244.50～ZK74+164.60，中线最大埋深114m，隧道建筑限界宽度为10.75m，隧道建筑限界高度5.0m，设计速度100km/h。隧道区处在构造剥蚀丘陵低山区，山体(脉)呈近南北向展布，延绵数十公里，呈波起伏景观，坡度20～50°，植被生长茂密。隧道区内底层岩性主要出露第四系冲洪积(Q4al +pl) 粉质粘土，中元古界一红安群CPt2H，七角山组CPtq，白云钾主片麻岩，夹绿泥钾片岩和变质辉绿岩。

隧道右幅在洞口开挖时发生小规模少量的塌方冒顶，地表监测变形量较大，同时地表出现了小空洞和裂缝。

2.原因分析

（1）不良地质情况：隧道右幅掌子面岩性为强风化白云钠长片麻岩，层间粘结力差，岩质软，岩体极破碎，裂隙极发育，并夹杂有泥土，拱顶部分主要为松散土，左侧伴有渗水。隧道洞口处坡度较大，埋深浅，容易引起塌方。

（2）施工方法：在洞口开挖时，中间预留核心土未能满足要求，爆破药量及爆破尺寸未能掌控好，破坏原有围岩之间的力学平衡，从而导致管棚在连接围岩时发生塌方冒顶。

二、地表沉降点布设

按照设计文件要求，地表下沉量测点集中设在隧道洞口和浅埋段，选定的量测断面区域内，横向布置间距范围为2～5m，左右幅洞口地表均埋设两排（因场地限制前后两排间距为1m），每排7个点，共计28个点，隧道中线附近密些，远离隧道中线处疏些。在测点位置挖长、宽、深均为200mm的坑，然后放入地表测点预埋件（自制），埋入深度约为0.5m，测点四周用砼填实，为满足精度要求，且不影响施工进度，待砼固结后即可量测，在预埋件顶端安放全站仪棱镜，使用分辨率为0.1mm的精密全站仪进行观测。

三、监测数据分析

按照规范及设计要求，根据现场实际情况在边坡稳固后，在边坡上方地表埋设监测点并采取初始值，进行观测，直到数据变化稳定。

图1 右线地表第一排监测点沉降速率

图2 右线地表第二排监测点沉降速率

图3 右线地表第一排监测点累计沉降

图4 右线地表第二排监测点累计沉降

图5 右线地表沉降点累计沉降

1.通过图1和图2可以得知每个监测点在时间段内的波动，从而反应施工过程中围岩动态的实际信息，在动态图中可以直白地反应每个测点在施工过程中的变化，判定围岩及初期支护的稳定性，分析支护结构参数，为设计和施工提供依据。对存在异样变化的测点进行复核，结合现场施工情况，找出影响围岩异样动态的因素，指导下一步施工。

2.通过图1、图2、图3、图4可以得知每个测点的累计变化，从而得知围岩的变化趋势，随着掌子面的掘进，在洞口73326～73328段发生塌方冒顶，所有测点在此刻沉降量骤然增大。在项目部立即采取相应措施后，围岩稳定性得到有效控制，沉降速率变小，直至73356断面，沉降速率逐渐趋于稳定。

3.通过图5了解断面每个点的变化趋势和关系，随着时间的推移，掌子面的推进，横断面测点沉降量呈漏斗状，隧道中心轴位置YDB1-4和YDB2-4沉降值最大，离中心轴越远沉降越小。对每排测点之间的距离和沉降量的关系进行拟合曲线分析，得到以下拟合函数公式：

第一排测点：y=1.2794X2-10.533X-6.9343、R2=0.9645；（1）

第二排测点：y=1.3587X2-11.496X-4.1114、R2=0.9808；（2）

式中：X为测点距隧道中线的距离，向左为负，向右为正，y为测点的最终沉降。R2为监测数据与拟合函数直接的吻合程度，R2越接近1越吻合，反之越接近0越不吻合。

四、监测数据对比分析

隧道从洞口开始到掌子面73331前，每天进尺1m，之后改为每天进尺2m。将2排测点纵向分组对比分析，每组2个测点，分为7组，按顺序分别为YDB1-1～YDB2-1、YDB1-2～YDB2-2、YDB1-3～YDB2-3、YDB1-4～YDB2-4、YDB1-5～YDB2-5、YDB1-6～YDB2-6、YDB1-7～YDB2-7；结果如图6、7、8、9、10、11、12所示。

图6 测点YDB1-1与YDB2-1

图7 测点YDB1-2与YDB2-2

图8 测点YDB1-3与YDB2-3

图9 测点YDB1-4与YDB2-4

图10 测点YDB1-5与YDB2-5

图11 测点YDB1-6与YDB2-6

图12 测点YDB1-7与YDB2-7

1.图6～图12为地表沉降点累计沉降量与时间的关系。

2.由于现场局限性两排地表沉降点距离较近，围岩性质相同，图6～图12地表沉降点在同一纵向不同断面的变化趋势类似，同时可以相互对比论证，进行监测数据修正；距离隧道中线越近，同纵向不同断面沉降波动越大，反之离隧道中线越远波动越平缓，沉降值越接近。

3.从图6～图12可知，同一断面不同测点沉降量不同，变化趋势区别不大。

4.图6～图12看出，隧道洞口在施做管棚、打超前注浆锚杆期间，地表会发生竖向位移，有上鼓趋势；随着掌子面的推进，在未到监测断面时地表沉降量较小，起伏不定；当掌子面推进到接近监测断面时，发生冒顶塌方，地表沉降量瞬间增大；在及时采取有效措施后，地表沉降量逐渐减小，渐渐恢复正常变化趋势；当掌子面超过监测断面1.6倍洞泾后，地表沉降量逐渐趋于稳定，此时已完成沉降总量的85%左右；其中，掌子面开挖到监测断面是沉降速率最大，沉降量已完成总量的55%左右；其中掌子面开挖到接近监测断面发生冒顶塌方时沉降量为总完成量的26%左右。

五、结语

在建隧道施工过程中，围岩的动态监测尤为重要，特别是在浅埋地段和地质条件较差的时候，由于开挖过程中的扰动，打破地质体原有的平衡状态，从而引发更加复杂的围岩动态变化。本次塌方冒顶影响因素：岩层倾角走向、岩体破碎、层间夹泥、山体渗水、施工作业过程存在不足、核心土预留为满足要求、爆破药量及爆破尺寸未能掌控好等多方面影响围岩稳定性的主客观原因。通过对地表沉降监测数据的处理得知浅埋隧道洞口处上方围岩与掌子面开挖断面的关系，同时因为本次塌方冒顶的特殊性质，分为：轻微鼓起、起伏不定、微小沉降、瞬间沉降、沉降减小、趋于稳定等6个阶段。因此，在开挖过程中及时对监控数据及地质条件进行分析，结合现场具体情况选择合适的支护，规范施工，确保施工的安全和效率。