冻土隧道浅埋段融化险情预警及处理措施

李 云

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112)

1 隧道概况

青藏高原祁连山某冻土隧道为一座双向双车道二级公路长隧道，穿越山脉属低高山冰川刨蚀地貌单元，隧址区高程3 868～4 236 m，相对高差378 m，隧道进出口地形较平缓，坡度在20°～40°之间，陡坡最小坡度5°，附近坡面无汇水条件，植被稀少，以杂草为主。山顶(阴坡)为常年积雪覆盖。经洞口开挖及管棚施工揭示洞口段35 m全部为冻土，冻土类型为含土冰层。经测量计算洞口覆盖层较薄(1.36～8.00 m)。隧道区为典型的低高山冻土地貌，类型为多年不稳定型冻土，热融后易变软、剥落、坍塌。

2 开挖与支护

洞口冻土段施工为了防止爆破对冻土的干扰，减少人为因素的干扰，确保洞口施工安全，洞口冻土段采用机械法开挖，按三台阶进行施工。为了保证施工安全，洞口浅埋段初期支护参数为：型钢钢架采用I 20型钢钢架间距60 cm，双层钢筋网片(网格间距：20×20 cm)，网喷27 cm厚C25，每台阶钢架采用小导管进行锁脚，锁脚锚杆长3.5 m。二次衬砌设计尺寸为55 cm厚的钢筋混凝土，强度等级C35。

3 监控量测

对隧道进行监控量测是施工过程中的最主要的一项工作内容，也是确保隧道施工质量和安全生产的一个重要环节。通过施工现场监控量测可以掌握周边围岩和初期支护在隧道开挖施工过程中的力学动态和稳定程度，确保施工安全，为评价和修改初期支护的参数，围岩受力力学分析及二次衬砌施作时间提供依据。该隧道施工监控量测主要为地表下沉(洞口及浅埋段)、周边收敛、拱顶下沉等量测。

3.1 地表下沉量测

本项目隧道根据洞口地形在进口端洞口设置3个断面，以隧道开挖轮廓的两拱角为基点布置测点，以45°角向地表延伸，该区域为隧道施工影响区，也是地表下沉观测的范围。并根据地形和延伸线在每个横断面地面上布置7个测点，测点布置以隧道中线附近密，向两端渐稀。水准基点设置在监测范围以外4倍洞径处，并将基点埋置底部设置于冻土上限以下，以作为观测各点高程测量的基准点。

3.2 周边收敛

周边收敛测点根据上下台阶分界处相应布设，以分界处底部往上1.5 m为宜。

根据本隧道冻土地质条件以5 m间距布设量测断面，量测断面埋设测点距开挖面不超过2 m，在上次爆破后24 h内进行第一次量测。量测工作应按照相关量测频率要求进行，每次读数读三次并记录，同时应测量出量测断面处的隧道内气温等环境参数，并相应填写好记录表。在隧道断面开挖或初喷后24 h内埋设周边收敛测点，应在隧道左、右边墙位置分别埋设测桩，测桩埋设完成后进行初始读数，同时测试环境温度进行温度修正。基准点应在洞内和洞外分别设置以利于校核，视线长度控制在小于等于30 m，监测误差不超过0.1 mm，必要时可采用冗余观测法提高监测的精度。

3.3 拱顶下沉

测点布设于周边收敛监测断面的拱顶中心位置，量测方法频率同周边收敛，并且同时进行。

4 预警险情及原因分析

隧道进口端在上台阶开挖到距洞口14.8 m，中台阶开挖到左侧距洞口12 m(右侧距洞口8.8 m)，下台阶开挖到左侧距洞口4.4 m(右侧距洞口2.4 m)时，地表沿主洞方向距洞口10 m量测断面沉降和洞内距洞口5 m拱顶监测点沉降变化较大，超出规范允许的预警值，发布红色预警。通过现场监控量测组监测数据分析地表A断面(距洞口10 m处)，DB-A-03号地表沉降速率为：-2.6 mm/d，超过预警速率值(2 mm/d)；DB-A-04号地表沉降速率为：-13.3 mm/d，超过控制速率值(3 mm/d)；DB-A-05号地表沉降速率为：-2.0 mm/d，超过预警速率值(2 mm/d)；拱顶(距栋楼5 m处)里程断面GD-27-415号拱顶沉降速率为：4.1 mm/d，超过控制速率值(3 mm/d)。变形曲线见图1、图2。

图1 预警地表沉降变化曲线图

图2 预警拱顶下沉变化曲线图

原因分析：隧道地处属于中更新统冰积物(Q2g1)冰碛块石、碎石及下岩组砂岩，经对掌子面观察，得出上台阶土质呈黑褐色，主要为粘土及角砾石，粘土含量大约60%，含水量较高，主要以冰块形式赋予(即冻土)，其余为角砾石、碎石填充，围岩自身稳定性差，隧道掌子面、初支出现渗水现象，随着掌子面的开挖洞身扰动较大，且未施做仰拱，对隧道的安全稳定较为不利。同时隧道预警段施工期间当地气候为连续晴天，气温升高，洞口表面积雪及隧道浅埋段冻土融化速率加快，造成支护结构两侧土压力增强，且本段拱顶覆土较薄，造成初期支护往洞身方向收敛，支护结构拱顶处往地表方向上升。

5 处置措施

(1)加强围岩量测及地表沉降观测，加强洞内外观察，注意掌子面及支护结构的观察，发现异常情况应停止掘进作业，采取支护措施。

(2)由于隧道洞口位于冻土段，地质条件较差，埋深浅，施工难度较大，洞口段开挖施工过程应杜绝爆破开挖，应采取机械开挖方法，以降低对边坡、仰坡围岩的扰动。洞顶搭设遮阳棚以降低洞顶覆盖层的温度，降低冻土融化速度。

(3)为了确保施工安全，对该段上台阶、中台阶及下台阶设置临时仰拱支护，确保支护措施在每台阶施工完成后成封闭状态，以减少拱顶下沉和围岩周边收敛速率，保证施工安全。在围岩量测数据满足规范要求的前期下，及时完成二衬施工，使二衬承担部分围岩应变力。

(4)及时完成边坡和仰坡防护工程、截水沟及排水沟的施工，建立洞外排水与洞内排水系统，确保将洞内水及时顺利排出，以阻断洞内积水向隧道基础的渗透，影响隧道施工安全。

(5)对洞口冻土段衬砌进行优化补强处理，具体参数为：I 20型钢钢架间距40 cm，双层钢筋网片(网格间距：10×10 cm)，网喷27 cm厚C30低温早强混凝土，每台阶钢架采用小导管进行锁脚，锁脚锚杆长4.5 m。二次衬砌设计调整为60 cm厚的C40钢筋混凝土。

(6)通过前期连续监测数据及本次监测数据分析，地表单次沉降速率大，但通过洞内监测及观察，洞内并未发现裂缝等异常情况，因此针对冻土浅埋地段把速率控制值及累计控制值，在科学的判断分析和确保工程安全的前提下，可作适当调整放宽。

(7)加强和第三方技术服务单位的沟通，做好地质超前预报工作，并“及时”反馈，施工过程中如发现开挖面地质情况异常，要及时采取相应措施。

以上措施采取后，地表沉降和拱顶下沉趋于稳定，变形曲线见图3、图4。

图3 处理后地表沉降变化曲线图

图4 处理后拱顶下沉变化曲线图

5 结束语

通过对隧道进行地表下沉(洞口及浅埋段)、周边收敛、拱顶下沉等监控量测，以及在监控量测过程中发现的地表沉降、拱顶沉降变化较大，超出规范预警值并发出红色预警，为防止隧道开挖后冻土热融造成坍塌冒顶险情，通过采取机械开挖、搭设遮阳棚，做好截水沟，停止掌子面掘进工作，加强支护，每台阶封闭成环等等措施，有效控制了地表沉降、周边收敛及拱顶沉降速率，确保了隧道安全进洞，顺利穿越了冻土地段。