鐵路隧道施工變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

田孟磊

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611700）

1 工程概況

某鐵路線路長(zhǎng)1 840 km，沿線正線隧道228座，總長(zhǎng)約460 km，局部地質(zhì)條件特殊，部分隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)較大，其中Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道7座，Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道15座。隧道斷面含單、雙線正洞，單、雙車道輔助坑道，施工引入的是業(yè)內(nèi)較為主流的全斷面、兩臺(tái)階、三臺(tái)階等方法。

在鐵路隧道變形控制工作中，以隧道跨度換算，分多種情況進(jìn)行針對(duì)性分析。一般地段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖雙線淺埋隧道拱頂沉降最大分別為6、10、16 mm。雙線黃土隧道施工中，拱頂沉降則以圍巖等級(jí)為主要依據(jù)加以控制，其中Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖分別對(duì)應(yīng)為90～155、135～190 mm。Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖深埋隧道變形控制值較小，Ⅴ級(jí)圍巖相對(duì)較大。

鑒于黃土隧道施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件具有差異化的特點(diǎn)，應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合工程規(guī)范，確定合適的控制基準(zhǔn)。在施工中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，匯總數(shù)據(jù)并展開(kāi)統(tǒng)計(jì)與分析，以確定切實(shí)可行的控制值和預(yù)留變形量，按照此模式有序推進(jìn)工程建設(shè)進(jìn)程。

2 黃土地質(zhì)條件下的雙線隧道變形統(tǒng)計(jì)分析

以沿線55座雙線黃土隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，展開(kāi)對(duì)比分析，確定拱頂下沉和周邊收斂量，監(jiān)測(cè)對(duì)象涵蓋黏質(zhì)和砂質(zhì)黃土，圍巖等級(jí)含Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)兩類，埋深超250 m，以臺(tái)階法為主要施工方法。

2.1 Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道隨埋深變形的統(tǒng)計(jì)分析

（1）變形最大值隨埋深變化的規(guī)律。

Ⅳ級(jí)圍巖地質(zhì)條件下的隧道變形最大值與埋深的關(guān)系：①該地質(zhì)的黃土隧道埋深集中在25～150 m，隧道雖有變形但幅度較小，拱頂下沉最大87 mm，絕大部分在50 mm內(nèi)；②周邊收斂最大44.06 mm，絕大部分在40 mm內(nèi)。隨著埋深的變化，拱頂下沉和周邊收斂無(wú)明顯的規(guī)律性變化。

（2）變形速率最大值隨埋深變化的規(guī)律。

Ⅳ級(jí)圍巖地質(zhì)條件下的隧道變形速率最大值與埋深的關(guān)系：①拱頂下沉、周邊收斂?jī)刹糠值淖冃嗡俾实母呙芏确植紖^(qū)間分別為10、5 mm/d以內(nèi)；②部分?jǐn)嗝婀绊數(shù)南鲁了俣冗_(dá)到5 mm/d以上（占比27.99%），所處位置以2（H+B）以上埋深的隧道為主。

（3）時(shí)態(tài)曲線分析。

以鄭莊隧道DK374+811斷面為例，該部分隧道的拱頂下沉和周邊收斂情況，其整個(gè)變化可分為兩個(gè)時(shí)段：①仰拱封閉前，拱頂下沉和周邊收斂均以較大的速率發(fā)生變化；②仰拱封閉后，此階段變形速率逐步減小，較之于拱頂下沉值，周邊收斂相對(duì)更小。

2.2 Ⅴ級(jí)圍巖黃土隧道隨埋深變形的統(tǒng)計(jì)分析

（1）變形最大值隨埋深分布的規(guī)律。

Ⅴ級(jí)圍巖地質(zhì)條件下的隧道變形速率最大值與埋深的關(guān)系：①黃土地質(zhì)普遍集中在200 m埋深內(nèi)；②拱頂下沉最大值達(dá)到148.2 mm，普遍在60 mm內(nèi)；③周邊收斂最大值達(dá)到119.2 mm，普遍在40 mm內(nèi)；④較之于周邊收斂值而言，拱頂下沉相對(duì)更大，在埋深小于2（H+B）的隧道中有較為明顯的拱頂下沉現(xiàn)象（下沉量達(dá)到75 mm以上）。

開(kāi)挖期間的擾動(dòng)性較強(qiáng)，淺埋黃土隧道拱頂有較明顯的下沉現(xiàn)象。對(duì)此，在淺埋隧道施工中，需要加強(qiáng)對(duì)周邊位移的控制。從周邊收斂值的角度來(lái)看，達(dá)到70 mm以上的斷面主要集中位置為埋深超5（H+B）的隧道，該部分?jǐn)嗝娴暮枯^高，普遍達(dá)到16%以上，在水體條件的影響下，伴有較大幅度的變形問(wèn)題。對(duì)于該地質(zhì)條件，施工單位予以高度的重視，合理應(yīng)用施工技術(shù)，有效控制拱頂下沉和水平收斂，黃土隧道的變形得到較好控制。

（2）變形速率最大值隨埋深分布的規(guī)律。

Ⅳ級(jí)圍巖地質(zhì)條件下的隧道變形速率最大值與埋深的關(guān)系：①拱頂下沉速率的高密度分布區(qū)間為10 mm/d以內(nèi)，周邊收斂速率的高密度分布區(qū)間為5 mm/d以內(nèi)；②局部拱頂下沉變形速率達(dá)到10 mm/d以上，重點(diǎn)分布在埋深小于2（H+B）和超過(guò)5（H+B）的隧道，前者與埋深較淺有關(guān)，后者與含水量較高有關(guān)；③部分周邊收斂變形速率達(dá)到10 mm/d以上，所處位置以埋深大于2（H+B）的隧道為主，所在地的基本特點(diǎn)在于含水量較高。

其與周邊收斂最大值的分布規(guī)律相同。

（3）時(shí)態(tài)曲線分析。

以郭旗隧道DK266+240斷面為例，該部分隧道的拱頂下沉和周邊收斂情況的整個(gè)變化可分為兩個(gè)時(shí)段：①上、中臺(tái)階開(kāi)挖期間，此過(guò)程中的下沉速率相對(duì)較大；②下臺(tái)階開(kāi)挖工作落實(shí)到位且實(shí)現(xiàn)仰拱封閉后，下沉量有減小的變化趨勢(shì)，并逐步達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。沉降過(guò)程中，封閉前的沉降占比達(dá)到95%以上，在此方面與Ⅳ級(jí)圍巖黃土隧道相同[1]。

2.3 V級(jí)圍巖黃土隧道隨含水量變形統(tǒng)計(jì)分析

（1）含水量＜8%時(shí)，拱頂下沉的最大值及速率分別為72.6 mm、13 mm/d，周邊收斂的最大值和變形速率分別為36.05 mm、5.48 mm/d。

（2）含水量為8%～16%時(shí)，拱頂下沉的最大值及速率分別為123.6 mm、29.3 mm/d，周邊收斂的最大值和變形速率分別為119.5 mm、29.8 mm/d。

（3）含水量＞16%時(shí)，拱頂下沉的最大值及速率分別為148.2 mm、21.4 mm/d，周邊收斂的最大值和變形速率分別為110.86 mm、29.8 mm/d。

在含水量增加的條件下，隧道有較大幅度的變形；但該增長(zhǎng)并非具有持續(xù)性，主要受到含水量的影響，待含水量超過(guò)16%時(shí)，變形雖有增大但幅度甚微，原因在于含水量超過(guò)16%時(shí)，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采取了帷幕注漿、地表水泥土攪拌樁等相關(guān)處理措施，達(dá)到提前加固圍巖的效果，能夠較好地規(guī)避大幅度變形的問(wèn)題，有效保證了隧道巖土體及隧道主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

變形最大值按含水量統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖雙線黃土隧道變形最大值按含水量統(tǒng)計(jì)所占比例

3 黃土地質(zhì)條件下的雙線隧道預(yù)留變形量分析

對(duì)于同一斷面，普遍存在拱頂下沉超過(guò)周邊收斂的情況。隧道支護(hù)與黃土地層間存在相對(duì)復(fù)雜的作用關(guān)系，同時(shí)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)易在多重因素的影響下出現(xiàn)變形現(xiàn)象，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)有較為明顯的離散特性。

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、干擾因素多，為有效保證現(xiàn)場(chǎng)安全，采用一定保證率條件下的范圍值，即預(yù)留變形量對(duì)應(yīng)保證率需達(dá)到95%以上。經(jīng)技術(shù)分析后，認(rèn)為保證率為96%較為合適，可以將其作為實(shí)測(cè)預(yù)留變形量[2]。

3.1 Ⅳ級(jí)圍巖隧道預(yù)留變形量的分析

在Ⅳ級(jí)圍巖地質(zhì)、保證率為96%的條件下，拱頂下沉量為47 mm。在監(jiān)測(cè)全流程中，初期便發(fā)現(xiàn)圍巖有一定變形，在確定該部分變形值后，將其增加至變形量測(cè)值上，由此可以確定圍巖的實(shí)際變形值。

圍巖的真實(shí)變形（u）計(jì)算：

式中：u測(cè)——變形量測(cè)值（mm）；λ——變形系數(shù)，取0.265～0.33。

結(jié)合λ的具體取值，可以確定圍巖的真實(shí)變形范圍，即64～70 mm。將所得結(jié)果與原設(shè)計(jì)的Ⅳ級(jí)圍巖設(shè)計(jì)預(yù)留變形（50～80 mm）展開(kāi)對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)兩者較為接近，也小于規(guī)定值，即小于90～155 mm。為進(jìn)一步保證安全，還考慮到數(shù)據(jù)離散以及施工偶然誤差，將設(shè)計(jì)預(yù)留變形量取值確定為70～90 mm。

3.2 Ⅴ級(jí)圍巖隧道預(yù)留變形量

在Ⅴ級(jí)圍巖地質(zhì)、保證率為96%的條件下，拱頂下沉量為60 mm。根據(jù)式（1）為依據(jù)，結(jié)合λ的具體取值，可以確定圍巖的真實(shí)變形范圍，即82～90 mm。將所得結(jié)果與原設(shè)計(jì)的Ⅴ級(jí)圍巖設(shè)計(jì)預(yù)留變形（80～120 mm）展開(kāi)對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)兩者較為接近，同時(shí)也小于規(guī)定值，即小于135～190 mm。為進(jìn)一步保證安全，還考慮到數(shù)據(jù)離散以及施工偶然誤差，將設(shè)計(jì)預(yù)留變形量取值確定為120～150 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章以雙線黃土隧道和雙線一般隧道為基本對(duì)象，重點(diǎn)從拱頂下沉和周邊收斂變形兩個(gè)角度展開(kāi)對(duì)比分析。結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所揭示的信息，建議在雙線黃土隧道施工中，Ⅳ級(jí)圍巖條件下的變形預(yù)留量取70～90 mm，Ⅴ級(jí)圍巖條件下取120～150 mm，以保證隧道施工的安全性。