公路隧道施工变形监测精度要求探讨

2022-09-03王富国

甘肃科技纵横 2022年6期

王富国

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃兰州 730030）

0 引言

公路隧道的施工过程中，开挖的岩土体本身就具备物理力学性质，并且这种力学性质具有多样性的特点，同时，地下结构与岩土介质之间存在复杂性，因此极易出现突发的地质灾害和其他类型的安全事故。此外，在公路隧道施工过程以及竣工后正式运营期间，必须保证隧道整体的安全与稳定，这些都需要监测工作予以必要的保障。利用相应的监测技术可以获得隧道的相关数据，借此可获得隧道周围围岩和支护结构目前的状态，为信息化设计隧道工程的施工奠定坚实的数据基础［1-2］。

1 以某隧道为例对隧道的变形监测

1.1 隧道工程概况及工程的地质条件

1.1.1 工程概况

该隧道严格遵照了公路隧道设计的相关规范，在设计层面上，采用的方案为双洞分离，隧道本身较长，共有两部分组成，其中一部分是东隧道，另一部分是西隧道。并且这两个隧道都是由两个单向的隧道组合而成，一条为上行、另一条为下行，该隧道的60%都会经过Ⅰ、Ⅱ两种类型的围岩，这两种围岩的主要特征是易于破碎，稳定性较差。

该隧道东西两个隧道的洞口都是双洞，每个洞的车道数都是三条，并且每条都是单向；该隧道东侧的一部分，上行隧道长度为267 m、下行隧道长度为279 m，该隧道西侧一部分隧道的上行长度为442 m、下行隧道长度为576 m；在设计隧道洞外的亮度时具体为4 000 cd/m2；隧道中的行车速度为100 km/h。该隧道在上行和下行之间存在最小静距离为45.35 m；隧道的最大开挖深度为13.76 m，隧道形状以扁平化为主，并且该隧道中80%的部分隧道的埋深小于50 m，由此数据可知，该隧道为典型的浅埋隧道。

该隧道的衬砌结构没有完全与地形有效结合，只有洞口和浅埋段的洞身与地形的契合程度较高。该隧道浅埋段开挖过程中使用明挖法，其他部分在开挖过程中需要先完成设计工作，设计的主要依据是新奥法，并且在衬砌结构上采用复合式。

1.1.2 地质条件

该隧道的主要工程区在隧道所处山体的主干断裂带上，具体位置为断裂的西侧。在隧道开挖之前的实地勘察工作中，并没有发现在全新时出现过断裂的情况，也没有发现任何大规模的断裂破碎带。同时，该隧道选址所在的山体从外观上可以判断出形态没有缺损，山体整体的坡度较为平缓，地表也没有出现崩落和塌陷的情况，因此，该隧道工程的地质较为稳定。

该隧道洞室内的围岩在岩性上有着复杂的表现，并且围岩岩体的质量程度不一，在指标上有明显差异，该隧道围岩的主要岩石类型包括砾岩和安山岩等多种岩体，并且这两种岩石的类型均属于硬质岩石，这种岩石从外观上来看，会呈现出块状结构，岩体本身具有较好的完整性。隧道中还有必不可少的岩土物质，用于空隙的填充，这类物质多为含有砾石的黏土，这种填充物无法在强度上与上述两种岩石相提并论，并且多为破碎状，几乎没有稳定的性质。此外，该隧道地下水的总量较小，因此，无需考虑复杂的水文条件。

1.2 隧道变形监测的实施

1.2.1 监测目的及意义

隧道是一种典型的位于地下的工程，这种工程的突出特性就在于复杂且隐蔽，并且与其他工程相比，隧道工程难以预测。在隧道施工的全过程中都存在信息化的监测工作，这项必要的监测工作可以将设计与信息化的施工，动态、实时地反馈至隧道工程的管理部门［3］。以下是利用信息化技术监测隧道变形的主要优势：（1）可以帮助相关部门了解隧道开挖的每一个阶段中围岩的变化情况；（2）了解当前支护结构的适应性；（3）当前这种施工的速度对隧道围岩产生多大影响；（4）可以帮助上级部门对可能发生的任何灾害进行提前预测，尽可能避免出现伤亡；（5）可以保证隧道整体在安全的环境下施工，也可以保证隧道结构始终处于稳定的状态之下。

1.2.2 现场监测试验内容及方法

该隧道的特点以及在开发该隧道地下空间的过程中利用到的，用于监测变形的新技术具体情况见表1所列。

表1 隧道动态施工监测项目表

1.2.3 监测断面的布置

监测断面布置如图1、图2所示。

图1 拱顶下沉、仰拱隆起及周边收敛测点布置示意图（图中相应的连线为测线）

图2 浅埋地段地表下沉测点横断面布置图及控制桩大样图

2 变形监测对隧道安全施工的指导作用

2.1 地表沉降

该隧道西侧位置的隧道，上行和下行的地质条件基本类似，采取开挖隧道的方式也基本类似，因此上下两行隧道具有较为一致的规律。开挖的过程中，推进工作和支护工作需要同时进行，当工程与开挖面的距离较远时，地表的沉降曲线也变得愈发收敛。根据相关的统计规律显示：（1）开挖掌子面时，会引起大约11 mm的沉降；（2）在第二个掌子面开挖的过程中，掌子面左侧上方的洞室出现了沉降情况，沉降值为7 mm，当下方开挖时会使用仰拱施工方法，引起的沉降最大为12 mm。但是由于西侧隧道的含水量较大，因此出现较大沉降量，沉降量的增大无疑会导致围岩的恶化。为此，在施工过程中必须重视围岩变形这一情况，并采取必要的控制措施，使隧道工程整体的施工质量得以提升。尤其在出现降雨的情况下，雨水会沉积在地面上，然后逐渐渗透到地下，直接增加了地下的含水量。此外，隧道西侧下行的洞口沉降量较小，并且，此处的洞口会因为隧道开挖的影响，出现不完全的收敛稳定，但是这一问题并不需要给予过多关注，因为在隧道开挖并持续推进的过程中，会逐渐趋于稳定［4］。因此，施工单位只需要重点考虑隧道洞口大概10 m左右的区域即可。

2.2 拱顶下沉

该隧道西侧多为浅埋段，因此由于拱顶下沉导致的沉降较大，虽然支护条件有限，但是在施工过程中没有出现明显异常的情况，但是不能忽视围岩条件较差的影响。在开挖这部分隧道下部的过程中，出现了拱顶下沉现象，这表明在控制围岩变形的过程中，及时对仰拱采取必要的施工可以起到一定的作用。

3 分析与讨论

3.1 地表沉降

由于该隧道的主要特点是浅埋，因此该隧道周围的围岩不可避免地存在较弱的特点，在隧道开挖过程中，地表沉降受到了较大的影响，尤其在隧道的西侧，以及东侧隧道的洞口处，这两处的围岩遭到了严重的风化侵蚀，出现了较大的沉降量。但是在开挖过程中，大部分沉降趋于稳定，因此相关部门只需要考虑隧道洞口10 m左右范围内的围岩即可。

3.2 拱顶下沉

该隧道洞口部分拱顶沉降的情况并不严重，但是在隧道工程持续推进的过程中，下沉逐渐增加，因此可以证明该工程中的进洞环节采用大管棚是最优的处理方式。在隧道拱顶逐渐下沉到30 mm左右时，拱顶下沉的量不会出现太大的变化，并且趋于稳定。根据监测结果可知，该隧道西侧下行一段的进口处，随着隧道开挖尺度的增加，拱顶下沉也在逐渐增加，这是因为洞口位置以浅埋为主，在开挖过程中，埋深不断增加，导致拱顶承受的荷载不断增加，最终致使拱顶下沉严重［5］。

3.3 初支钢拱架内力

充分利用拱架内力钢筋计这种设备可以将隧道拱顶内侧的压应力显示出来，如果在内力钢筋计上显示出拱顶负弯矩，就可以知晓在隧道钢拱架拱腰和拱肩这两个位置上存在着较大的压力。以隧道左侧上方的洞室为起点，开挖之后会形成一个较为完整，且处于封闭状态下的拱形，此后拱顶会出现进一步的沉降情况，还会出现一种变化——拱顶的负弯矩逐渐趋向正弯矩，截至目前弯矩已经变为正向。在这种特殊的地质条件下，为了保障支护工作，需要将围岩从偏压的状态下“拯救”出来，具体的方法是在侧向上加强支护工作，其余的开挖工作要按照设计阶段规定的工序正常进行，并且在这一过程中要做好必要的观察、测量工作［6］。