黃土隧道圍巖預警技術體系初探

■李志宏 ■山西省晉中路橋建設集團有限公司，山西 晉中 030600

黃土是第四系堆積的陸相沉積物，按地層學依次為全新世黃土、馬蘭黃土、離石黃土、午城黃土。其特點具有大孔隙，有垂直節理，強度隨含水率的變化明顯，有較強的濕陷性;公路隧道由于跨徑大、斷面大、和扁平狀特點再加上黃土不穩定性，開挖擾動后圍巖變形影響因素眾多，各類規范規定分散，初步結合工程實踐制定以下預警體系。

黃土隧道圍巖預警體系

1 預警指標

預警指標是預警技術體系的前提。根據監控量測計劃中監測項目，結合工程實際、管理方要求、專家評審主要選定指標:1、變形累計允許最大值2、變形速率、3 變形加速度。

變形累計允許最大值指滿足圍巖下沉不侵入二襯，保證隧道不產生有害松動的條件下，自隧道開挖到變形穩定時變形數值。用周邊水平位移總量和拱頂下沉總量U 表示。變形速率即單位時間變形率，用V 表示。以上兩個指標受隧道地質條件、埋深、斷面尺寸、支護參數、施工工法影響精確性不高，波動大，單獨使用有局限性;以往監控量測發現，變形加速度可以反映圍巖變化趨勢，大于零時，說明圍巖變形加速;小于零時說明圍巖變形減緩;等于零時，說明圍巖變形延續。一般情況測量斷面開挖通過及再次擾動時變形加速度大于零，且延續時間較短，圍巖未擾動時出現加速度大于零屬圍巖異常。這三個指標綜合取定后為定量指標，可以分圍巖等級及洞口段設置。另外，地表下沉作為洞口指標單獨設置，洞內外觀察作為定性指標推薦使用，超前地質預報作為強制性指標使用。具體計算辦法參照《公路隧道施工監測規范》。

U1 為計算最大允許變形值;U2 施工單位經驗值;U3 設計預留變形量

2 影響因素

影響因素是預警技術體系的基礎。通過列舉法把黃土隧道影響圍巖穩定因素進行初步整理。參考勘察、設計、施工、監控量測規范涉及公路黃土隧道圍巖穩定因素的整合。影響因素考慮建設工程全過程管理，其中勘察設計階段的影響因素占決定性因素，但波動性小，主要考慮設計規范動態化設計、信息化施工理念，正常施工時期作為施工階段的固定因素考慮，不得擅自隨意更改，筆者作為施工人員僅做簡要選定;施工階段的影響因素較多，易受施工條件、人員素質、施工隊伍水平、機械化程度等非技術性因素干擾多。不同的因素影響的程度不同，可以按照敏感性進行分類;體系中影響因素是工程建設的藍本，應根據不同的項目，針對性修正;下面是筆者案例中制定的影響因素表。

3 應對措施

3.1 警戒措施

(1)4 小時內通知監理單位、設計代表，施工指示為黃燈;(2)加大監控量測頻率;(3)會同監理單位對照影響因素檢測是否有設計規范執行不到位，如有采用臨時支護措施，雙倍補強;(4)調整開挖進尺、放慢掌子面掘進，縮短仰拱二襯距掌子面距離;(5)拱架底部夯實，加大臨時鋼墊板;(6)設計單位復核勘察設計參數，經監理批準可暫時增加系統錨桿及鎖腳錨桿。

3.2 應急措施

(1)1 小時內通知監理、設計、業主，暫停掘進，施工指示為紅燈，對人員機械進出嚴格管控;(2)對拱頂及拱腳采用臨時鋼支撐，必要時對臺階部位返回填;(3)仰拱在臨時支撐下，以2 米為單位半幅澆筑，二襯持續跟進;(4)對未成環拱架增設錨桿，臨時支撐;(5)結合警戒期間復核設計參數對后續設計進行系統調整;(6)應急段落圍巖穩定后，二襯澆筑強度滿足要求解除;如發現失穩征兆，迅速撤離人員。

案例:油坊溝隧道位于興縣油坊溝東南，設計為左右分離式，右洞全長1175 米，左洞全長1170 米。隧道地層由老到新依次三疊系二馬營組砂巖，第三系靜樂組粉土，第四系上更新馬蘭組黃土，圍巖等級為IV、V 級。地形地貌為梁峁狀中低山區，呈東西走向。洞體最大埋深97.5 米，岢嵐端自然坡20 度，右洞進口40 米有偏壓，臨縣端自然坡15度，出口90 米屬淺埋段。隧道凈寬10.25 米，限高5 米。V 級圍巖采用預留核心土環形開挖，IV 級采用上下斷面正臺階開挖。

3.3 預警指標

(1)U:允許最大變形值

計算允許最大變形值:V 級U1=11.25* 0.008=0.09m;IV 級U1=11.25* 003=0.03m

經驗最大變形值:V 級U1=0.1-0.15m;IV 級U1=0.05-0.1m;洞口淺埋偏壓增加0.1m

設計預留變形值:U3=0.05m

V 級U=(U1 +U2)/2 +U3=15cm;IV 級U=(U1 +U2)/2 +U3=8cm;洞口淺埋偏壓段落增加5cm

(2)管理等級

U0 為經回歸計算實測最大變形值。

該隧道啟動警戒措施4 次，應急措施1 次。主要原因:(1)施工人員掘進、仰拱、二襯安全步距不能嚴格執行強制性標準;(2)部分段落噴錨支護系統不規范，存在隨意變動;(3)工字鋼連接不認真，間距偏差大;(4)特殊段落(洞口、淺埋、偏壓段V 級圍巖環形開挖留核心土工法保證性不強，擾動次數多，變形累計大，推薦使用側壁導坑法;(5)勘察設計對小型沖溝陷坑及仰坡重視程度不夠，設計不夠詳盡。

4 結論

(1)特殊段落變形指標偏小，需要更科學的方法研究極限變形指標，案例應急措施段最大累計變形45cm，有3 米段落進行換拱處理事故，建議優先考慮側壁導坑法;(2)變形的主要誘導因素是施工隊伍設計規范執行不夠嚴格，需提高管理措施;勘察設計細節部位需要加強，本例應急段落就是由于距洞口50 米處橫穿隧道小沖溝引發，勘察設計影響因素更明顯。

以上是對黃土隧道圍巖預警技術體系的簡要探討，它和管理體系、組織體系共同作用。一方面減少侵限事故，控制圍巖變形，避免失穩發生。另一方面，通過體系運行文件記錄，為動態化隧道設計，安全科學施工，持續改進公路黃土隧道技術提供基礎資料。當然，文中不足之處甚多，需要進一步學習提高，以便更好服務于隧道建設。

［1］《黃土公路隧道工程》人民交通出版社，康軍，2011.

［2］《公路隧道設計與施工新法及應用》人民交通出版社，朱漢華，2010.

［3］《公路工程地質勘察規范》JTGC20-2011.

［4］《公路工程隧道施工技術規范》JTGF60-2009.

［5］《公路工程隧道設計規范》JTGD70-2004.