隧道施工中的變形監測與控制方法

孫瑞峰

（中鐵十七局集團城市建設有限公司，貴陽 550000）

1 引言

在公路隧道施工過程中，巖土物理學性質、巖土介質以及與地下結構作用力較為復雜。施工作業會對巖體結構完整性造成損害，很容易引發變形、沉降等現象，但是，圍巖地質情況和巖土條件不同、埋深程度不同以及采用的施工方法不同，導致的變形范圍、程度等也會產生差異。為做好地層保護工作，必須加強變形監測，結合適當控制方法，減少變形程度。

2 工程概況

某高速公路隧道施工項目，屬于分離式長隧道工程，左幅隧道長1 654 m，最大埋深約為206 m，右幅隧道長1 631 m，最大埋深約為205 m，進出口采用端墻式洞門。本次主要研究右幅隧道施工，隧道明洞段采用明挖法進行施工，暗洞段采用新奧法施工，集合二次襯砌澆筑和小凈距隧道鉆爆施工。隧道施工需要穿越Ⅴ、Ⅳ級圍巖，工程地質和水文條件較為復雜，尤其進出口附近，巖體破碎，坡體開挖臨空后，覆蓋層易發生滑動現象，基巖容易產生滑移垮塌、掉塊和碎落現象。隧道還會穿過鹽酸巖等可溶性巖洞段，具有揭露隱伏巖溶的風險隱患，引發突泥、冒頂、涌水等危害[1]。在施工過程中，施工單位必須從實際條件出發，及時開展超前地質勘測，觀察和檢測地質、支護情況，為工程順利開展提供翔實的數據信息支持。

3 隧道施工變形監測

本次施工中，主要針對地質及支護狀況、地表沉降、周邊位移、拱腳下沉等展開監測。以地表沉降為例，該隧道洞口淺埋段間隔10~15 m 布置一個斷面，至少設置一個斷面，每個斷面隧道拱部測點間距為2~3 m，拱部兩側測點間距為3~4 m，主要用于監測洞口淺埋段地表變形量和判斷隧道變形特征。監測點的布置應該與周圍位移量測布設和洞內拱頂下沉布置處于同一斷面，并測量水平位移和縱向位移[2]；倘若發現存在位移量過大、速度無穩定趨勢、邊仰坡開裂等情況時，提高監測頻率。做好超前地質預報，該隧道地質較為復雜，在每次爆破后要對掌子面開展地質素描，初步判斷前方巖層情況，隨后用GRP 進行近距離探測，與之前判斷相互印證補充；部分地段，采取GRP 結合TEM 進行監測，依據監測結果判斷是否進行探空檢測，詳細記錄出水點、流量、水溫、出水狀態等。另外，還需要根據實際施工情況，在每個代表地段選取1~3個斷面進行錨桿拉拔試驗，倘若Ⅴ、Ⅳ級圍巖錨桿拉拔力超過80 kN、100 kN，說明施工質量滿足要求；選用不同類型的位移計、應力計、壓力盒等，對圍巖壓力、內部位移、初期支護和二次襯砌層壓力等變化情況進行監測，以確定支護參數的合理性。

4 隧道施工變形控制方法

4.1 超前大管棚

超前大管棚具有提高圍巖整體性、增加圍巖穩定性，延緩變形速度，降低變形程度的作用，一般應用在隧道洞口、洞身淺埋段、偏壓地段、斷層破碎帶等軟弱破碎地層[3-4]。該工程主要在隧道洞口處設置超前大管棚，具體施工工序為管棚加工、套拱施工、鉆孔清孔驗孔、下管注漿、封孔。在管棚加工環節，管棚鋼管選用φ108 mm×6 mm 熱軋無縫鋼管，環向間距40 cm，用φ102 mm×6m m 長30 cm 的熱軋無縫鋼管絲扣相連接，管棚分節長3 m。鋼管接頭錯開，沿隧道縱向同一截斷面內接頭數不超過50%，相鄰鋼管結構至少錯開1.0 m。管棚入土深度為16~40 m，外插角1°~3°，搭接長度超過5 m。在鉆孔施工環節，為保障鉆孔方向準確無誤，預先在明洞襯砌外設置C25 混凝土導向墻（長×高=2 m×0.7 m），內嵌有4 榀I18 型鋼架和φ127 mm×4 mm 導管鋼管（見圖1）。

圖1 鋼管固定圖

在注漿環節，在鋼管內插入塑料管直至孔底，外端與堵漿塞排氣孔相連，作為排氣通道，注漿管與堵漿塞進漿孔相連，注入漿液直至排氣管有漿液溢出后停止注漿。漿液水灰比為1∶1，注漿壓力中初壓和終壓分別為0.5~1.0 MPa、2.0 MPa。

4.2 超前小導管

超前小導管主要應用于道Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段，沿著隧道開挖線輪廓向外，將關閉帶孔小導管打入地層，借助一定壓力向管內壓注漿液，達到預先加固隧洞周圍巖體，堵住圍巖裂隙水，提高土體固結度，增強土地摩擦力等作用，還有超前預支護作用[5]。超前小導管施工工序包括施工準備、測量定位、鉆孔、插管、注漿及注漿效果檢查、開挖。在本次開展的公路隧道施工中，通過實際調查發現，該段區域具有較差圍巖結構，以某段Ⅴ級圍巖為例，長度為45 m，頂板埋深為61.4~71.1m。隧道圍巖為中風化灰巖及碳質泥巖，巖質較軟，巖體較為破碎，呈層狀～破裂狀結構，Rc（單軸飽和抗壓強度）、Kv（完整性指數）、BQ（基本質量指標）分別為15 MPa、0.35、232.5。該段圍巖自穩性較差，炭質泥巖抗剪強度低，還存在隱伏巖溶發育可能，倘若支護不佳或支護不及時，很容易引發坍塌、大塌方，必須做好超前地質預報和超前支護，才能保障該段隧道施工安全順利實施[6]。針對這一地質情況，決定采用超前小導管支護方法，進行超前支護。主要采用φ60 mm×4 mm 熱軋無縫鋼管及部分φ42 mm×4 mm 熱軋無縫鋼管進行施工，鋼管環向間距控制在40 cm 左右，外插角為10°~12°，尾端在鋼架外側支撐，且每排小導管縱向至少需要搭接1.0 m（見圖2）。在注漿階段，選用普通硅酸鹽水泥或水玻璃作為漿液，注漿初凝時間為1~2 min，注漿壓力控制在0.5~1.0 MPa。在注漿之前，先噴射5~ 10cm 厚度的混凝土將掌子面封閉，形成止漿盤；按照由下到上的順序將管內雜物清洗干凈；注漿過程中，倘若持續注漿10 min，進漿速度下降為初始速度的20%，或者進漿量達到設計標準時停止注漿。

圖2 超前小導管布置圖

4.3 隧道二次襯砌

隧道襯砌通常采用“仰拱超前、拱墻整體襯砌”的施工原則，在初期支護完成后，為有效控制變形，仰拱要盡可能跟隨開挖面施工，隨后利用多功能作業平臺人工鋪設防水板，綁扎鋼筋并利用液壓整體式襯砌臺車進行二次襯砌和一次性整體灌注施工[7]。二次襯砌施工工藝流程首先要根據監控測量確定二次襯砌，隨后布設軌道、準備好臺車、將頂模升起、側模張開，調整好模板。然后完成輸送管道、擋頭板、止水帶等的安裝施工，涂好脫模劑，安裝好預埋件，進行混凝土澆筑工作，最后進行拆模和養護作業。同時，隧道二次襯砌施工還需要嚴格遵守JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術規范》及相關規程，參考GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》，利用混凝土運輸車、輸送泵、襯砌模板臺車等開展機械化施工。在該隧道工程二次襯砌施工中，施工人員采用先仰拱后邊墻、拱頂部分施工的順序，選用鋼筋混凝土進行施工，并在其與初期支護之間敷設議程厚度為1.5 mm 的厚EVA 防水板和無紡土工布（20 kN/m）作為防水層。同時，擬定二次襯砌支護參數，包括主筋、縱筋、箍筋等規格和間距，公布變強和仰拱等相關參數。

在確定好二次襯砌擬定支護參數后，開展防排水施工、鋼筋施工、混凝土施工等工序。在鋼筋施工時，鋼筋的加工要在洞外統一完成后，再運輸至現場，在臺車上進行安全綁扎。施工人員需要根據測量控制點先進行外層環向定位鋼筋綁扎，并用縱向筋連接固定，依次完成其他環向筋綁扎，直至外層綁扎完成（見圖3）。隨后，開展內層鋼筋綁扎工作，用蹄筋將內外層鋼筋連接，并用電弧焊點焊接，強化整體剛度。

圖3 鋼筋綁扎安裝示意圖

鋼筋綁扎完成后，按照中線標高檢查輪廓尺寸，在內層鋼筋內掛設厚砂漿墊塊（5 cm），確保灌注完成后鋼筋有足夠厚度的保護層。在進行混凝土施工時，要做好混凝土澆筑前的檢查工作，采用分層澆筑方法，重視混凝土的振搗作業。振搗器移動間距控制在其作用半徑1.5 倍范圍內，插入下層混凝土內深度控制在5~10 cm 左右，確保上下層結合良好。二次襯砌時拱頂每組襯砌預留注漿孔不少于2 個，振搗時采用快插慢拔的方式，充分保障每個孔位振搗時間，當混凝土無下沉、水分、氣泡等情況時，結束振搗。

5 結語

綜上所述，公路隧道工程是我國交通事業發展的關鍵，針對隧道施工中普遍存在的施工變形、沉降等情況，必須準確了解變形情況，做好變形監測。在此基礎上，結合巖土地質條件、施工條件等，選擇適宜變形控制方法，通過超前大管棚、超前小導管、隧道二次襯砌等，提升巖土穩固性，確保施工安全、有序完成。