基于監測數據的淺埋隧道大變形成因分析及其處治對策

許敏娟

摘要：為了解決隧道穿越淺埋偏壓、松散破碎地層時極易發生大變形、坍塌等安全事故的問題，依托實際工程分析了隧道開挖后初支背后圍巖壓力、拱頂沉降、支護結構內力及襯砌表觀病害的變化規律與分布特征，得到隧道結構的受力變形特征，進而闡明淺埋段大變形的形成機理，并針對其形成機理給出了處治策略，可為后續施工控制及同類工程的順利修建提供借鑒。

關鍵詞：淺埋隧道；偏壓；大變形；監控量測

中圖分類號：U457.3

文獻標志碼：B

引言

進入21世紀后，中國公路隧道得到快速發展，截止至2013年底，已建成公路隧道11359處、9605.6km。然而，受多山地貌的影響，隧道結構不可避免地會碰到淺埋偏壓、斷層破碎帶、高地應力等不良地質環境，給工程建設帶來了巨大的困難。與洞身段相比，隧道洞口通常處于淺埋、偏壓、圍巖破碎等復雜地質、地形條件下，同時受洞口邊仰坡的影響，空間受力條件復雜，施工中容易出現大變形、支護開裂等問題，甚至存在坍塌、冒頂風險。因此，隧道洞口段的設計與施工是保證整座隧道安全的關鍵因素之一。

當前，中國公路隧道修建多秉持“新奧法”理念，以監控量測為設計、施工的連接樞紐，及時反饋并調整支護設計體系、施工工藝參數，確保施工安全及后期的順利運營。結合工程實例，國內外不少學者已論證了監控量測對施工安全控制的重要作用，驗證了施工過程中及時施作監控量測的必要性。基于這一現狀，本文依托老寨隧道實例，結合監控量測數據及現場踏勘結果，分析隧道洞口結構受力變形特征，探究洞口淺埋偏壓段大變形的主要成因，并對其整治措施效果進行了跟蹤評價，以期為同類工程的順利修建提供一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 隧址區地質條件

老寨隧道左線隧道起訖里程ZK38+425.00～ZK38+870.00，其中ZK38+725～ZK38+870段為隧道出口段，長145m，隧道埋深約0～46m，覆蓋層較薄，厚1.0～3.Om，強風化層厚3.5～16.5m，洞身穿越強～弱風化變余砂巖。巖體節理裂隙極發育，巖體破碎～較破碎，呈松散碎裂結構，[BQ]=168，屬V級圍巖。現場勘測表明，隧道出口處存在偏壓現象，橫坡大于50°，側覆土厚小于5m，且為發育最不利節理（338°∠25°）面，屬于典型的淺埋偏壓隧道洞口段。圖l、2分別為ZK38+870斷面工程地質橫斷面和左線隧道工程出口段的地質縱斷面。

1.2 進洞預加固措施及開挖工法

為確保洞口淺埋偏壓段施工安全，采取如下進洞措施：坡腳淺埋側施作C20抗偏壓擋土墻，抵抗由于偏壓造成的不均衡水平推力，如圖3所示；超前施作φl08mm、壁厚6mm大管棚，節長3m、6m，環向間距50 cm，如圖4所示；邊仰坡防護采用錨網噴，具體采用φ50×4注漿小導管，長度為6m，間距1.5m×1.5m；采用φ8鋼筋網，間距為20cm×20cm；噴C20混凝土，厚度8cm。

隧道洞身開挖采用三臺階匕步法，隧道掘進過程中遵循“短進尺、弱爆破、勤支護、早封閉”的原則，以確保開挖面的穩定。

為確保施工安全，修建過程中嚴格執行既定的監控量測方案，重點監測地表變形、圍巖壓力、拱頂沉降、支護結構內力等項目，及時整理數據反饋，并分析結構受力的實時狀態，以期及早發現潛在危險，并做出正確處治方案。

2 基于監測數據的結構受力變形特征分析

依監測數據及現場調查，選取洞口段兩個典型斷面進行分析，探究結構受力的變形規律，為大變形的成因分析及控制對策的選取提供理論依據。

2.1 圍巖壓力與結構內力的分布特征

2.1.1 初支背后壓力

對隧道初支背后圍巖壓力進行統計分析，發現結構承受著明顯的非對稱壓力：在淺埋側回填反壓及深埋側主動壓力作用下，襯砌結構產生向外側的整體變形，淺埋側拱腰至拱腳范圍內被動壓力值明顯偏大；斷面一處，左側拱腰壓力為0.22MPa，是右側拱腰的2.4倍，偏壓效果更甚于斷面二處（左側拱腰壓力值為右側拱腰的1.3倍），如圖5所示。

2.1.2 初支鋼拱架彎矩

依鋼筋計監測數據，換算初支鋼拱架彎矩，并繪制出最終狀態分布圖，如圖6所示。

由圖6可知，淺埋側鋼拱架彎矩值偏大于深埋側，斷面一處偏壓效果更為明顯，與圍巖壓力分布特征吻合。

2.1.3 二襯背后壓力

對二襯背后壓力監測數據進行統計分析，繪制出二襯壓力分布圖，如圖7所示。分析表明，洞口段兩邊側墻處二襯壓力值明顯較拱頂、拱腰位置偏大。需要注意的是，因斷面一處鋼拱架初期變形較大，處理時圍巖壓力得到一定釋放，使深埋側二襯邊墻壓力小于預期值。

上述分析表明，鋼拱架主要承受了來自拱頂及拱腰部位的圍巖壓力，而二次襯砌分擔了部分圍巖兩側傳來的圍巖壓力。因此，在現場施工時要注意鋼拱架鎖腳錨桿的施作，以提高鋼拱架兩側承載能力的發揮。

3.2 拱頂沉降變化規律

整理斷面一及斷面二處的拱頂沉降監測數據，如圖8所示。

隧道開挖施作初支后的沉降規律總結如下。

（l）整個洞口段拱頂沉降值都很大，最終沉降量均超過lOOmm，最大下沉量達到了500mm，致使隧道初支產生嚴重侵限。

（2）隧道開挖2周內，拱頂下沉速率最大，沉降量為17～35mm·d^-1。之后進入趨穩階段。需要注意的是，下臺階開挖或施作二襯時會導致支護沉降出現一定程度的波動。

（3）5月30日開始的近一個月的持續降雨，使得ZK38+859、ZK38+850斷面一開挖便產生了急劇增大的位移。特別是在6月26日全天大雨的情況下，監測發現，已開挖但未施作二襯的部分出現了拱頂下沉急劇增加的情況，并進行了臨時支撐的緊急處治，監測的拱頂沉降量的情況表明，ZK38+859和ZK38+850斷面在采取了臨時支撐的措施后，拱頂的下沉量得到了非常有效的控制。endprint

2.3 結構表面變形特征分析

5月3l號和6月l號，隧道掌子面掘進至ZK38+840斷面附近，隧道所在地出現了連續兩天的大雨天氣，觀測發現了隧道護拱開裂、拱頂沉降顯著以及邊仰坡開裂等現象。邊仰坡開裂變形如圖9所示。

6月26日，前方掌子面施工至ZK38+850斷面時，深埋側ZK38+860附近拱間工字鋼變形嚴重，在2h內向洞里突出0.6cm，拱頂附近及其他地方開裂較大，造成停工。調查表明，整個ZK38+862～ZK38+855.7斷面的初期支護發生了嚴重變形，噴射混凝土崩裂掉塊，反壓擋墻下側出現明顯裂縫，整個型鋼拱架向淺埋側擠壓變形明顯，左右側拱腰處變形最大達到了67cm，如圖lO所示。

3 大變形成因分析

結合監控量測數據與地勘資料，將隧道出口段出現大變形，進而導致初支嚴重破壞的原因總結如下。

（l）圍巖質量差。隧道洞口段地質為強風化的變余砂巖并夾雜粘土，巖體節理裂隙極發育，巖體松散碎裂，自穩能力差。

（2）淺埋偏壓的影響。按圍巖壓力計算理論，未考慮預加固效果時，受地面坡度角的影響，兩側壁均布圍巖壓力差值極大，內側圍巖平均壓力最高達外側的7倍之多，對隧道構成了極為顯著的偏壓荷載。現場量測結果表明，深埋側拱腰壓力值平均為淺埋側拱腰壓力值的11.7倍，同樣驗證了這一特征。

（3）降雨的影響。5月31日開始了持續的降雨天氣，隧道邊仰坡出現裂縫，擋土墻下側出現較大的裂縫，且洞內初噴混凝土出現剝落、掉塊。此外，巖體風化和破碎程度高，大量雨水下滲弱化了巖土力學參數，增加了附加孔隙水壓力，使得圍巖質量進一步劣化，形成惡性循環，這是造成圍巖大變形的另一主要原因。

4 大變形控制對策及其效果評價

根據上述分析和現場的實際情況，考慮到病害情況緊急，處理方案必須是臨時強支護與長遠穩定措施相結合，既要保證處理過程中的安全，又要滿足結構永久安全的要求。最終采取了如下的處理措施。

（1）施作臨時支撐。支撐就地取材，采用20b工字鋼，排距為1m，均采用LlO×lOcm角鋼進行縱橫連接，連接件間距1m，底座采用槽鋼支墊牢固，如圖ll所示。要求支頂和落腳處必須緊貼，不應出現單點受力現象，以達到整體受力的效果。

（2）減載反壓回填及排水。對仰坡進行刷坡減載，取土對隧道外側反壓，以平衡偏壓荷載。施工中應及時采用鋼筋網、注漿小導管和噴射混凝土對減載后的邊坡進行防護，避免因減載反壓引起深層次的滑動。做好地表排水的截水溝，并在坡體表面噴射混凝土，防止雨水下滲，如圖12所示。

（3）換拱。上述措施落實到位并施工結束后，7月29日，洞身變形已處于相對穩定狀態，邊仰坡沒有出現任何異常，拆去臨時支撐，并對變形過大段的初期支護進行替換。

完成上述處理措施后，工程重新開工，并通過監控量測繼續跟蹤。替換后的鋼拱架力最大值與替換前鋼拱架同部位受力值相比，明顯減小，且現場觀測顯示重噴的混凝土并未出現明顯裂縫，驗證了上述措施的可行性。詳細統計結果見表l。

5 結語

基于監測數據與現場踏勘，綜合分析了老寨隧道出口淺埋偏壓段的大變形災害特征及成因，并提出了行之有效的控制對策。主要結論如下。

（l）隧道穿越淺埋偏壓地層且圍巖松散破碎路段時，應加強監控量測工作的實施與反饋分析，通過分析結構受力變形特征，及早發現大變形、坍塌等潛在風險，為控制措施的合理選取提供指導意見。

（2）圍巖松散破碎、淺埋偏壓是老寨隧道洞口段產生大變形的根本原因，持續降水加劇了大變形的程度。

（3）監測分析表明，洞口段淺埋側的結構內力與變形明顯偏大，設計、施工時對遠離山體一側隧道的拱腳處要認真考慮施工方案。endprint