公路隧道施工變形監測精度要求探討

王富國

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

公路隧道的施工過程中，開挖的巖土體本身就具備物理力學性質，并且這種力學性質具有多樣性的特點，同時，地下結構與巖土介質之間存在復雜性，因此極易出現突發的地質災害和其他類型的安全事故。此外，在公路隧道施工過程以及竣工后正式運營期間，必須保證隧道整體的安全與穩定，這些都需要監測工作予以必要的保障。利用相應的監測技術可以獲得隧道的相關數據，借此可獲得隧道周圍圍巖和支護結構目前的狀態，為信息化設計隧道工程的施工奠定堅實的數據基礎［1-2］。

1 以某隧道為例對隧道的變形監測

1.1 隧道工程概況及工程的地質條件

1.1.1 工程概況

該隧道嚴格遵照了公路隧道設計的相關規范，在設計層面上，采用的方案為雙洞分離，隧道本身較長，共有兩部分組成，其中一部分是東隧道，另一部分是西隧道。并且這兩個隧道都是由兩個單向的隧道組合而成，一條為上行、另一條為下行，該隧道的60%都會經過Ⅰ、Ⅱ兩種類型的圍巖，這兩種圍巖的主要特征是易于破碎，穩定性較差。

該隧道東西兩個隧道的洞口都是雙洞，每個洞的車道數都是三條，并且每條都是單向；該隧道東側的一部分，上行隧道長度為267 m、下行隧道長度為279 m，該隧道西側一部分隧道的上行長度為442 m、下行隧道長度為576 m；在設計隧道洞外的亮度時具體為4 000 cd/m2；隧道中的行車速度為100 km/h。該隧道在上行和下行之間存在最小靜距離為45.35 m；隧道的最大開挖深度為13.76 m，隧道形狀以扁平化為主，并且該隧道中80%的部分隧道的埋深小于50 m，由此數據可知，該隧道為典型的淺埋隧道。

該隧道的襯砌結構沒有完全與地形有效結合，只有洞口和淺埋段的洞身與地形的契合程度較高。該隧道淺埋段開挖過程中使用明挖法，其他部分在開挖過程中需要先完成設計工作，設計的主要依據是新奧法，并且在襯砌結構上采用復合式。

1.1.2 地質條件

該隧道的主要工程區在隧道所處山體的主干斷裂帶上，具體位置為斷裂的西側。在隧道開挖之前的實地勘察工作中，并沒有發現在全新時出現過斷裂的情況，也沒有發現任何大規模的斷裂破碎帶。同時，該隧道選址所在的山體從外觀上可以判斷出形態沒有缺損，山體整體的坡度較為平緩，地表也沒有出現崩落和塌陷的情況，因此，該隧道工程的地質較為穩定。

該隧道洞室內的圍巖在巖性上有著復雜的表現，并且圍巖巖體的質量程度不一，在指標上有明顯差異，該隧道圍巖的主要巖石類型包括礫巖和安山巖等多種巖體，并且這兩種巖石的類型均屬于硬質巖石，這種巖石從外觀上來看，會呈現出塊狀結構，巖體本身具有較好的完整性。隧道中還有必不可少的巖土物質，用于空隙的填充，這類物質多為含有礫石的黏土，這種填充物無法在強度上與上述兩種巖石相提并論，并且多為破碎狀，幾乎沒有穩定的性質。此外，該隧道地下水的總量較小，因此，無需考慮復雜的水文條件。

1.2 隧道變形監測的實施

1.2.1 監測目的及意義

隧道是一種典型的位于地下的工程，這種工程的突出特性就在于復雜且隱蔽，并且與其他工程相比，隧道工程難以預測。在隧道施工的全過程中都存在信息化的監測工作，這項必要的監測工作可以將設計與信息化的施工，動態、實時地反饋至隧道工程的管理部門［3］。以下是利用信息化技術監測隧道變形的主要優勢：（1）可以幫助相關部門了解隧道開挖的每一個階段中圍巖的變化情況；（2）了解當前支護結構的適應性；（3）當前這種施工的速度對隧道圍巖產生多大影響；（4）可以幫助上級部門對可能發生的任何災害進行提前預測，盡可能避免出現傷亡；（5）可以保證隧道整體在安全的環境下施工，也可以保證隧道結構始終處于穩定的狀態之下。

1.2.2 現場監測試驗內容及方法

該隧道的特點以及在開發該隧道地下空間的過程中利用到的，用于監測變形的新技術具體情況見表1所列。

表1 隧道動態施工監測項目表

1.2.3 監測斷面的布置

監測斷面布置如圖1、圖2所示。

圖1 拱頂下沉、仰拱隆起及周邊收斂測點布置示意圖（圖中相應的連線為測線）

圖2 淺埋地段地表下沉測點橫斷面布置圖及控制樁大樣圖

2 變形監測對隧道安全施工的指導作用

2.1 地表沉降

該隧道西側位置的隧道，上行和下行的地質條件基本類似，采取開挖隧道的方式也基本類似，因此上下兩行隧道具有較為一致的規律。開挖的過程中，推進工作和支護工作需要同時進行，當工程與開挖面的距離較遠時，地表的沉降曲線也變得愈發收斂。根據相關的統計規律顯示：（1）開挖掌子面時，會引起大約11 mm的沉降；（2）在第二個掌子面開挖的過程中，掌子面左側上方的洞室出現了沉降情況，沉降值為7 mm，當下方開挖時會使用仰拱施工方法，引起的沉降最大為12 mm。但是由于西側隧道的含水量較大，因此出現較大沉降量，沉降量的增大無疑會導致圍巖的惡化。為此，在施工過程中必須重視圍巖變形這一情況，并采取必要的控制措施，使隧道工程整體的施工質量得以提升。尤其在出現降雨的情況下，雨水會沉積在地面上，然后逐漸滲透到地下，直接增加了地下的含水量。此外，隧道西側下行的洞口沉降量較小，并且，此處的洞口會因為隧道開挖的影響，出現不完全的收斂穩定，但是這一問題并不需要給予過多關注，因為在隧道開挖并持續推進的過程中，會逐漸趨于穩定［4］。因此，施工單位只需要重點考慮隧道洞口大概10 m左右的區域即可。

2.2 拱頂下沉

該隧道西側多為淺埋段，因此由于拱頂下沉導致的沉降較大，雖然支護條件有限，但是在施工過程中沒有出現明顯異常的情況，但是不能忽視圍巖條件較差的影響。在開挖這部分隧道下部的過程中，出現了拱頂下沉現象，這表明在控制圍巖變形的過程中，及時對仰拱采取必要的施工可以起到一定的作用。

3 分析與討論

3.1 地表沉降

由于該隧道的主要特點是淺埋，因此該隧道周圍的圍巖不可避免地存在較弱的特點，在隧道開挖過程中，地表沉降受到了較大的影響，尤其在隧道的西側，以及東側隧道的洞口處，這兩處的圍巖遭到了嚴重的風化侵蝕，出現了較大的沉降量。但是在開挖過程中，大部分沉降趨于穩定，因此相關部門只需要考慮隧道洞口10 m左右范圍內的圍巖即可。

3.2 拱頂下沉

該隧道洞口部分拱頂沉降的情況并不嚴重，但是在隧道工程持續推進的過程中，下沉逐漸增加，因此可以證明該工程中的進洞環節采用大管棚是最優的處理方式。在隧道拱頂逐漸下沉到30 mm左右時，拱頂下沉的量不會出現太大的變化，并且趨于穩定。根據監測結果可知，該隧道西側下行一段的進口處，隨著隧道開挖尺度的增加，拱頂下沉也在逐漸增加，這是因為洞口位置以淺埋為主，在開挖過程中，埋深不斷增加，導致拱頂承受的荷載不斷增加，最終致使拱頂下沉嚴重［5］。

3.3 初支鋼拱架內力

充分利用拱架內力鋼筋計這種設備可以將隧道拱頂內側的壓應力顯示出來，如果在內力鋼筋計上顯示出拱頂負彎矩，就可以知曉在隧道鋼拱架拱腰和拱肩這兩個位置上存在著較大的壓力。以隧道左側上方的洞室為起點，開挖之后會形成一個較為完整，且處于封閉狀態下的拱形，此后拱頂會出現進一步的沉降情況，還會出現一種變化——拱頂的負彎矩逐漸趨向正彎矩，截至目前彎矩已經變為正向。在這種特殊的地質條件下，為了保障支護工作，需要將圍巖從偏壓的狀態下“拯救”出來，具體的方法是在側向上加強支護工作，其余的開挖工作要按照設計階段規定的工序正常進行，并且在這一過程中要做好必要的觀察、測量工作［6］。

4 結束語

通過本論述的分析和研究可知，為了保證隧道整體的施工與后續使用的安全與穩定，必須做好隧道變形的監測工作。在監測過程中，要充分考慮地面沉降和拱頂下沉現象，還要考慮到隧道本身的鋼拱架內力。