凍土隧道淺埋段融化險情預警及處理措施

李 云

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112)

1 隧道概況

青藏高原祁連山某凍土隧道為一座雙向雙車道二級公路長隧道，穿越山脈屬低高山冰川刨蝕地貌單元，隧址區高程3 868～4 236 m，相對高差378 m，隧道進出口地形較平緩，坡度在20°～40°之間，陡坡最小坡度5°，附近坡面無匯水條件，植被稀少，以雜草為主。山頂(陰坡)為常年積雪覆蓋。經洞口開挖及管棚施工揭示洞口段35 m全部為凍土，凍土類型為含土冰層。經測量計算洞口覆蓋層較薄(1.36～8.00 m)。隧道區為典型的低高山凍土地貌，類型為多年不穩定型凍土，熱融后易變軟、剝落、坍塌。

2 開挖與支護

洞口凍土段施工為了防止爆破對凍土的干擾，減少人為因素的干擾，確保洞口施工安全，洞口凍土段采用機械法開挖，按三臺階進行施工。為了保證施工安全，洞口淺埋段初期支護參數為：型鋼鋼架采用I 20型鋼鋼架間距60 cm，雙層鋼筋網片(網格間距：20×20 cm)，網噴27 cm厚C25，每臺階鋼架采用小導管進行鎖腳，鎖腳錨桿長3.5 m。二次襯砌設計尺寸為55 cm厚的鋼筋混凝土，強度等級C35。

3 監控量測

對隧道進行監控量測是施工過程中的最主要的一項工作內容，也是確保隧道施工質量和安全生產的一個重要環節。通過施工現場監控量測可以掌握周邊圍巖和初期支護在隧道開挖施工過程中的力學動態和穩定程度，確保施工安全，為評價和修改初期支護的參數，圍巖受力力學分析及二次襯砌施作時間提供依據。該隧道施工監控量測主要為地表下沉(洞口及淺埋段)、周邊收斂、拱頂下沉等量測。

3.1 地表下沉量測

本項目隧道根據洞口地形在進口端洞口設置3個斷面，以隧道開挖輪廓的兩拱角為基點布置測點，以45°角向地表延伸，該區域為隧道施工影響區，也是地表下沉觀測的范圍。并根據地形和延伸線在每個橫斷面地面上布置7個測點，測點布置以隧道中線附近密，向兩端漸稀。水準基點設置在監測范圍以外4倍洞徑處，并將基點埋置底部設置于凍土上限以下，以作為觀測各點高程測量的基準點。

3.2 周邊收斂

周邊收斂測點根據上下臺階分界處相應布設，以分界處底部往上1.5 m為宜。

根據本隧道凍土地質條件以5 m間距布設量測斷面，量測斷面埋設測點距開挖面不超過2 m，在上次爆破后24 h內進行第一次量測。量測工作應按照相關量測頻率要求進行，每次讀數讀三次并記錄，同時應測量出量測斷面處的隧道內氣溫等環境參數，并相應填寫好記錄表。在隧道斷面開挖或初噴后24 h內埋設周邊收斂測點，應在隧道左、右邊墻位置分別埋設測樁，測樁埋設完成后進行初始讀數，同時測試環境溫度進行溫度修正?；鶞庶c應在洞內和洞外分別設置以利于校核，視線長度控制在小于等于30 m，監測誤差不超過0.1 mm，必要時可采用冗余觀測法提高監測的精度。

3.3 拱頂下沉

測點布設于周邊收斂監測斷面的拱頂中心位置，量測方法頻率同周邊收斂，并且同時進行。

4 預警險情及原因分析

隧道進口端在上臺階開挖到距洞口14.8 m，中臺階開挖到左側距洞口12 m(右側距洞口8.8 m)，下臺階開挖到左側距洞口4.4 m(右側距洞口2.4 m)時，地表沿主洞方向距洞口10 m量測斷面沉降和洞內距洞口5 m拱頂監測點沉降變化較大，超出規范允許的預警值，發布紅色預警。通過現場監控量測組監測數據分析地表A斷面(距洞口10 m處)，DB-A-03號地表沉降速率為：-2.6 mm/d，超過預警速率值(2 mm/d)；DB-A-04號地表沉降速率為：-13.3 mm/d，超過控制速率值(3 mm/d)；DB-A-05號地表沉降速率為：-2.0 mm/d，超過預警速率值(2 mm/d)；拱頂(距棟樓5 m處)里程斷面GD-27-415號拱頂沉降速率為：4.1 mm/d，超過控制速率值(3 mm/d)。變形曲線見圖1、圖2。

圖1 預警地表沉降變化曲線圖

圖2 預警拱頂下沉變化曲線圖

原因分析：隧道地處屬于中更新統冰積物(Q2g1)冰磧塊石、碎石及下巖組砂巖，經對掌子面觀察，得出上臺階土質呈黑褐色，主要為粘土及角礫石，粘土含量大約60%，含水量較高，主要以冰塊形式賦予(即凍土)，其余為角礫石、碎石填充，圍巖自身穩定性差，隧道掌子面、初支出現滲水現象，隨著掌子面的開挖洞身擾動較大，且未施做仰拱，對隧道的安全穩定較為不利。同時隧道預警段施工期間當地氣候為連續晴天，氣溫升高，洞口表面積雪及隧道淺埋段凍土融化速率加快，造成支護結構兩側土壓力增強，且本段拱頂覆土較薄，造成初期支護往洞身方向收斂，支護結構拱頂處往地表方向上升。

5 處置措施

(1)加強圍巖量測及地表沉降觀測，加強洞內外觀察，注意掌子面及支護結構的觀察，發現異常情況應停止掘進作業，采取支護措施。

(2)由于隧道洞口位于凍土段，地質條件較差，埋深淺，施工難度較大，洞口段開挖施工過程應杜絕爆破開挖，應采取機械開挖方法，以降低對邊坡、仰坡圍巖的擾動。洞頂搭設遮陽棚以降低洞頂覆蓋層的溫度，降低凍土融化速度。

(3)為了確保施工安全，對該段上臺階、中臺階及下臺階設置臨時仰拱支護，確保支護措施在每臺階施工完成后成封閉狀態，以減少拱頂下沉和圍巖周邊收斂速率，保證施工安全。在圍巖量測數據滿足規范要求的前期下，及時完成二襯施工，使二襯承擔部分圍巖應變力。

(4)及時完成邊坡和仰坡防護工程、截水溝及排水溝的施工，建立洞外排水與洞內排水系統，確保將洞內水及時順利排出，以阻斷洞內積水向隧道基礎的滲透，影響隧道施工安全。

(5)對洞口凍土段襯砌進行優化補強處理，具體參數為：I 20型鋼鋼架間距40 cm，雙層鋼筋網片(網格間距：10×10 cm)，網噴27 cm厚C30低溫早強混凝土，每臺階鋼架采用小導管進行鎖腳，鎖腳錨桿長4.5 m。二次襯砌設計調整為60 cm厚的C40鋼筋混凝土。

(6)通過前期連續監測數據及本次監測數據分析，地表單次沉降速率大，但通過洞內監測及觀察，洞內并未發現裂縫等異常情況，因此針對凍土淺埋地段把速率控制值及累計控制值，在科學的判斷分析和確保工程安全的前提下，可作適當調整放寬。

(7)加強和第三方技術服務單位的溝通，做好地質超前預報工作，并“及時”反饋，施工過程中如發現開挖面地質情況異常，要及時采取相應措施。

以上措施采取后，地表沉降和拱頂下沉趨于穩定，變形曲線見圖3、圖4。

圖3 處理后地表沉降變化曲線圖

圖4 處理后拱頂下沉變化曲線圖

5 結束語

通過對隧道進行地表下沉(洞口及淺埋段)、周邊收斂、拱頂下沉等監控量測，以及在監控量測過程中發現的地表沉降、拱頂沉降變化較大，超出規范預警值并發出紅色預警，為防止隧道開挖后凍土熱融造成坍塌冒頂險情，通過采取機械開挖、搭設遮陽棚，做好截水溝，停止掌子面掘進工作，加強支護，每臺階封閉成環等等措施，有效控制了地表沉降、周邊收斂及拱頂沉降速率，確保了隧道安全進洞，順利穿越了凍土地段。