淺埋暗挖隧道施工期間變形監測技術研究

李本松，王俊松

(四川沿江宜金高速公路有限公司，四川 成都 610041)

在淺埋暗挖隧道施工過程中，開挖作業會對隧道原有的應力平衡狀態造成干擾，致使應力在隧道內部重新分布，產生新的應力場，與此同時，隧道周邊圍巖土體力學性能隨應力場的變化而變化。在開挖施工過程中，若開挖方式選取不當、技術參數把控不佳、開挖順序不適宜，則可能造成隧道圍巖土層變形情況，不僅影響淺埋暗挖隧道施工質量、施工進度，還可能引發安全風險。

1 變形監測技術在淺埋暗挖隧道施工期間的應用價值

通常來講，在進行淺埋暗挖隧道的施工過程中，由于施工環境和其他相關因素的影響，會在一定程度上存在明顯的安全隱患，不僅容易對施工現場的具體施工進度造成阻礙和干擾，同時還會威脅施工人員及設備的安全與穩定。而且，在淺埋暗挖隧道施工中，做好現場數據的監控與測量，是每天都需要進行的重要內容，能夠快速掌握精準的數據信息與施工資料，通過對收集到的資料進行有機整合，為隧道的挖掘施工提供更加可靠且準確的檢測服務數據，可以提前規避和預防各種可能出現或發生的施工狀況。另外，通過應用變形監測技術，可以在淺埋暗挖隧道施工時，對其現場的有序進行提供實時數據監測與遠程配合指導，將所獲得的數據信息反饋于施工現場，盡可能減少因突發事件而產生的威脅和阻礙，盡可能降低成本的支出與開銷，為施工團隊爭取到更多的時間，為淺埋暗挖隧道的施工給予可靠的安全保障。

除此之外，通過使用各種現代化儀器設備和信息技術，為隧道的施工提供技術支持與指導，能夠結合獲取和收集的數據信息，完成對隧道支護結構的穩定性與安全性，以及對周邊環境所造成影響的綜合評估與判斷，幫助施工團隊提前做好突發事件的預防措施，確保施工具有更高的安全性與可靠性。另外，將收集到的監測數據及時做好整理與分析，使管理人員可以對照數據結果，來分析具體施工現場與理想化施工目標的契合程度，從而為其決策的科學性與合理性提供理論支持與保障。通過應用變形監測技術，可以及時做好預警和防范處理，提高隧道施工安全性，為施工人員的生命安全給予高度保障。

2 淺埋暗挖隧道施工期間的地層變形機理

2.1 地層條件的影響

淺埋暗挖隧道施工區域在開挖過程中，其地層巖土體結構對于地層變形起到絕對的影響。如果施工區域的地層能夠形成自然的塌落拱結構，將會極大地提高施工區域地層的承載能力，減輕支護結構的應力對于地層的影響，避免地表沉降。

但是，目前我國淺埋暗挖隧道施工區域的巖土體較為軟弱，且施工區域的巖土性質較為復雜，相應的物性指標較差，因此，在進行淺埋暗挖隧道施工時，要對施工區域進行實地勘測，從而檢驗巖土體物性指標確定其是否能夠形成塌落拱結構，如果不能需要借助輔助措施，助力塌落拱結構的形成[1]。

2.2 技術方法的影響

合理的淺埋暗挖隧道施工技術方法對于地層穩定起到絕對的影響作用?，F階段，該施工技術常見的方法主要有全斷面、中隔壁、交叉中隔壁、單側壁導坑法等。在進行方法選擇時，相應的施工單位要根據施工區域的實際情況，利用數字化技術對施工現場進行勘測，了解施工區域的水文、地表、地質等相關參數，進行施工方法的選擇。

從經濟效益角度出發，全斷面法的施工效果最好，依次是中隔壁、交叉中隔壁、單側壁導坑法。但是，如果從施工安全角度考慮，那么相應的選擇順序與之完全相反。所以，施工團隊要根據實際需求，進行合理化的方法選擇。

2.3 隧道埋深的影響

在進行淺埋暗挖隧道施工時，其隧道埋深指標為覆跨比。覆跨比主要是將隧道上方土體覆蓋厚度比上隧道跨越值，所得比值就是覆跨比。如果覆跨比大于1且小于2時，那么說明隧道埋深對于地層影響較小。若覆跨比在1以下，那么則需要立刻采取相應的加固處理技術，減輕淺埋暗挖隧道施工對地層產生的沖擊。

因此，在進行隧道埋深處理時，相應的技術人員要時刻關注覆跨比值，將地表沉降情況控制在可控區間。如果其覆跨比過小，將會加大工程建設成本，從而降低該工程的經濟效益[2]。

2.4 地下水的影響

現階段，進行淺埋暗挖隧道施工，其施工區域巖土體的地下水含量較為豐富，在施工前期需要進行地下水降排水處理。城市巖土體地下水含量與其強度成正比，如果地下水進行降排處理，將會使得巖土體強度減弱，從而破壞巖土體結構穩定性，增大圍巖的有效應力，使得巖土體空隙中水壓下降。在有動水壓力的作用下，將會使得圍巖區域出現凹陷，引發地層變形。

研究表明，地下水下降規律與地層變形規律大體一致。在淺埋暗挖隧道施工降排地下水的時候，會造成巖土體應力受損，從而使得地層沉降。因此，在淺埋暗挖隧道施工時，必須采用一定的措施，保證地層穩定，減輕地下水降排對地層變形的影響。

3 基于淺埋暗挖隧道施工實例的變形監測技術應用分析

3.1 工程概況

為了推動當地現代化建設，增強該次淺埋暗挖隧道施工變形監測技術研究的針對性，本次選取某真實案例為依據展開具體分析。本案例工程項目需要對某地區增設一條長達80m，寬約42m的淺埋暗挖聯絡隧道，其本身長鏈0.499m，短鏈3.250m，區間的右線長度控制在723.529m，左線長度則保持在721.633m，為了確保施工安全，需要在其內部設置區間人防結構和聯絡通道，使其能夠有效實現信息的高效傳達。由于該地區總體地勢相對較為平坦，總體海拔保持在150m左右，雖然總體施工地勢略有起伏，并且呈現從南向北的傾斜狀態，但是相對高差總體較小，為隧道施工創設良好的前提條件。另外，由于本身地理環境的特點，其常年氣候變化相對較為明顯，溫度最高能達到近40℃，最低則是能降到-42℃，最大的凍土深度大約在2.3m，所以在準備進行隧道挖掘之前，需要選定具體的施工季節，盡可能降低環境因素對施工的干擾和阻礙。而且由于該地區總體巖層分布較為均勻，施工管理人員要通過數據監測的方式，獲取施工區域的實地考察數據信息，并通過有效整合，對施工路線進行優化與完善，確保隧道挖掘施工能夠在規定時間內，順利交付。

3.2 不良地質

對淺埋暗挖隧道施工案例地質條件深入剖析，為后續變形監測技術的有效運用奠定基礎，結合實際情況來看，案例工程存在不良地質，經調查后發現不良地質主要表現為季節性凍土、人工填土，并未出現有害氣體、地面沉降、裂縫、滑坡等問題。具體分析來看，對案例隧道區域的凍脹性地質進行總結，在隧道施工標段內，標準凍結深度與最大凍結深度分別為1.90m、2.05m，對凍結深度范圍內的土壤地質構成進行總結，發現表現為粉質黏土及雜填土，其中雜填土以黏性土為主[3]。由此可見，案例淺埋暗挖隧道施工工程的變形隱患受到地層條件的影響，不良地質加大了地層變形問題的發生。對案例淺埋暗挖隧道施工工程的地基土質性質進行總結，如表1所示。

表1 案例淺埋暗挖隧道施工工程的地基土質性質

3.3 監測內容

3.3.1 監測項目

在案例淺埋暗挖隧道施工工程項目中，將監測內容劃分為兩部分，即選測與必測，其中選測是對施工區域的環境因素、地質條件、結構特點的針對性監測，主要用于真實反映與呈現隧道受力狀況及結構形變狀況；而必測則是對關鍵指標的監測，主要用于監測關鍵項目，該類監測作業能夠最為直觀地表現出工程項目受力狀況及結構形變情況。

對淺埋暗挖隧道施工工程項目中常見的隧道施工監測項目進行總結，如表2所示，其中因案例淺埋暗挖隧道施工工程地下水對隧道變形的影響較小，在運用變形監測技術過程中，主要針對初期支護拱頂下沉、初期支護凈空收斂、地表沉降進行施工監測，將上述三個項目內容(支護拱頂下沉、支護凈空收斂、地表沉降)作為必測內容，地下水作為選測內容，對案例淺埋暗挖隧道施工工程項目勘察調查后，發現地下水對隧道變形的作用程度較小，故最終將選測內容剔除監測項目，主要對支護拱頂下沉、支護凈空收斂、地表沉降三項指標進行科學監測。

表2 淺埋暗挖隧道施工工程項目中常見的隧道施工監測項目

3.3.2 初期支護拱頂下沉監測

在淺埋暗挖隧道工程項目中，初期支護拱頂下沉可引發隧道地表沉降問題，一旦隧道地表發生沉降，則會對隧道周邊的構筑物及建筑物產生威脅，影響其安全性。此外，淺埋暗挖隧道施工期間通過對拱頂下沉數據的動態化監測，能夠幫助施工人員精準把握隧道圍巖支護狀況以及圍巖穩定性，能夠有效保障隧道施工安全性，提升施工質量。因此，在案例淺埋暗挖隧道工程施工期間，根據隧道施工實際情況而科學設計變形監測技術體系的，對初期支護拱頂下沉進行變形監測時，需于隧道掌子面區域設置拱頂下沉監測點位，要求開挖面控制在2m之內，根據隧道具體狀況，以10～15m(具體數值視隧道具體狀況而定)設置監測斷面，拱頂下沉監測點位布置情況具體可見圖1。

圖1 拱頂下沉監測點位

對初期支護拱頂下沉進行變形監測期間，提前準備預埋件，按照圖1所示點位，將其預埋至隧道拱頂結構內，由淺埋暗挖隧道基準點逐步測量內部基準點高程，隨后基于隧道內部基準點，對施工期間的預埋件高程加以測量，記錄高程數據，重復三次，計算平均值之后，將其作為該次變形監測的初期支護拱頂下沉監測數據[4]。待下一次完成預埋件高程測量后，將其與上一次監測數據進行對比，數據差異則為隧道在施工過程中的拱頂下沉程度。在案例淺埋暗挖隧道工程中，不僅應用數據曲線的方式呈現初期支護拱頂下沉變形監測結果，還引入仿真模擬技術，構建變形監測模型，用于動態化演示初期支護拱頂下沉的動態結果，以此幫助作業施工人員精準把握變形狀況，一旦出現異常狀況則可及時發現并處理。

3.3.3 初期支護凈空收斂監測

在淺埋暗挖法隧道施工工程項目中，凈空收斂屬于變形監測中的必測項目，且是案例淺埋暗挖法隧道施工中的關鍵監測內容，對于施工作業而言，凈空收斂監測結果可直接呈現出隧道支護結構與圍巖結構之間存在的受力狀態，幫助施工作業人員了解隧道結構整體狀況，對初期支護凈空收斂完成動態測量后，則可基于該數據判斷得出隧道穩定性程度，為后續淺埋暗挖法隧道施工作業的實施提供指導。在具體變形監測過程中，需將凈空收斂點位布置于拱頂下沉監測點位的同一斷面內，通常情況下，多將初期支護的凈空收斂監測點位布置于距離開挖面的2m之內，若變形監測點的布置受核心土長度影響，則可將其變形監測點位設置至斷部位置。隧道開工后的12h之內，需完成初期支護凈空收斂監測數據[5]。對凈空收斂點位進行布置時，可于拱腰區域進行鉆孔，借助膨脹螺絲收緊，而凈空收斂監測點位則位于噴射混凝土的外部，此外，從布置角度來看，可于淺埋暗挖隧道左右兩側設置凈空收斂變形監測點位，具體設置情況條具體可見圖2。

實施初期支護凈空收斂變形測量過程中，需將膨脹螺栓提前埋設，并對膨脹螺栓布置間距進行測量，為防止誤差影響測量結果，應至少測量三次，計算平均值，得出初期支護凈空收斂數據。按照監測頻率標準實施變形監測，將淺埋暗挖隧道施工期間的初期支護凈空收斂數據與最初數據進行對比，以此則可得出淺埋暗挖隧道在施工過程中存在的凈空收斂變形情況。

3.3.4 地表沉降監測

在淺埋暗挖隧道施工過程中，開挖期間不可避免地會出現擾動，對隧道周邊巖土造成影響，與此同時，由開挖施工所產生的擾動則會通過應力而傳遞至隧道地表，繼而改變隧道圍巖土體的力學狀況，因此，從這一角度來看，可通過分析測算圍巖土體在淺埋暗挖隧道施工過程中的力學狀態變化情況而了解隧道地表沉降情況，而地表沉降則在一定程度上能夠表現出施工期間的隧道變形程度。對于位于城市區域的隧道結構，若隧道施工期間出現地表沉降問題，隨便周邊構筑物、建筑物則會遭受影響，因此，淺埋暗挖隧道施工期間必須嚴格監測地表沉降情況，用于保障建筑物安全，確保淺埋暗挖隧道施工效果。在案例淺埋暗挖隧道施工工程項目中，基于隧道技術方案布置監測點，以2～5m為間距橫向布置監測點位，而縱向則以5m為間隔布置地表沉降監測點位。

3.4 數據分析

變形監測過程中，受到工具儀器、人員操作等因素的干擾，淺埋暗挖隧道施工期間的變形監測可能出現誤差，因此，完成變形監測并記錄監測數據后，還需對變形監測數據進行處理分析，用于提升變形監測結果的精準性，并科學判斷數據可靠性，分析誤差程度，若發現誤差超出允許標準，則需選擇適宜方式對誤差數據加以修正。完成淺埋暗挖隧道施工期間的變形監測之后，及時提交測量所得數據，確保施工團隊可充分把握淺埋暗挖隧道支護結構及圍巖結構的變形狀況，繼而為后續隧道開挖施工提供指導，全方位掌握淺埋暗挖隧道具體情況，繼而降低施工盲目性。

在案例淺埋暗挖隧道施工工程項目中，拱頂下沉、凈空收斂、地表沉降的標準變形累計值分別為15mm、10mm、30mm，三者的標準變化速率分別為3mm/d、2mm/d、3mm/d。若發現累計變形量、變化速率超過標準值70%，則屬于黃色預警，需提高變形監測頻率，細致觀察具體情況；若超出標準值的85%，則屬于橙色預警，此時應加強支護，優化支護結構；若變化速率劇增，累計變化量超出標準，則屬于紅色預警，需暫停施工進行處理。案例淺埋暗挖隧道施工工程的拱頂下沉變化速率達到標準值的73%，提高監測頻率進行觀察，發現拱頂下沉變化速率后續逐漸降低，達到標準水平，變形風險較低。

4 結語

在淺埋暗挖隧道施工過程中，變形監測技術具有較高應用價值，有助于施工人員把控技術細節，及時發現并應對可能存在的突發狀況，因此，為避免底層變形而影響施工作業，杜絕安全隱患，應在淺埋暗挖隧道施工過程中做好變形監測。在淺埋暗挖隧道施工案例中，經變形監測后發現存在黃色預警，部分結構存在超出標準值70%的情況，但超出程度較小，適當提高監測頻率，隨后發現異常數據逐漸歸于正常，并無變形問題出現。