指柱山隧道偏壓段施工監測分析

魏 鑫

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

陽蟒高速公路指柱山隧道位于山西省南部中條山與太行山之間的基巖石區內，地貌單元為侵蝕剝基巖中山區，區內地形起伏大，基巖沖溝、陡坡和陡坎發育。隧道走向與山體走向近垂直，隧道中部為雞爪狀地形，地形險峻，陡坡植被較發育，在垂直上分層發育，多發育與軟巖形成的緩平坦上；隧道兩側洞口均為基巖深切沖溝，尤其出口附近沖溝為“V”字型窄溝，溝深約100 m，上部寬約70 m，溝兩側地形呈近直立狀。

指柱山隧道左線全長3174 m，最大埋深544.8 m，隧道右線全長3287 m，最大埋深539.5 m，主洞為雙行單洞斷面，凈寬10.25 m，限高5.0 m，兩側設檢修道，內輪廓采用三心圓。隧道右洞進口段圍巖以長城系中統石英巖狀砂巖局部夾層狀泥頁組成，總體上屬于較軟巖，巖體節理裂隙發育，巖石較破碎；埋深淺，洞體內有地下水分布，以點滴水為主。水對圍巖的穩定性影響較大，指柱山隧道右線出口段圍巖以V級為主，巖石遇水容易產生軟化，洞口埋深淺且存在嚴重偏壓，在施工過程中容易發生塌方冒頂和山體滑坡。

2 量測項目與量測方法

現場監控量測是隧道按新奧法設計、施工的核心技術之一，是隧道襯砌設計的指導精神，同時也是隧道襯砌設計的重要組成部分。通過監控量測數據的匯總分析，可以較好地掌握圍巖和支護狀況，保障施工安全、評價支護狀態、確定二襯施作的合理時機、為修正設計參數和優化襯砌支護參數提供技術依據[1]。監控單位根據現場情況，主要對洞內外觀察、地表下沉、周邊收斂、拱頂下沉等量測項目進行監測，監測頻率滿足相關規范和設計要求，為了減小誤差，采取固定儀器、固定人員、固定時間進行監測。

根據科學的監測手段，以便在施工過程中能及時發現安全隱患并進行相應處置，為修正設計參數和優化襯砌支護參數提供技術依據，確保工程質量和人員安全。

2.1 洞內外觀察

在隧道施工過程中每次爆破完成后應及時對掌子面地質情況和支護狀態進行觀察。觀察的主要內容包括：對掌子面情況的觀察、對支護狀態和施工狀態的觀察、對洞外的觀察。同時還需要對隧道開挖影響范圍地表及周邊區域進行觀察，并做好記錄，了解并預測地表變化情況。

針對指柱山隧道右洞進口段的偏壓情況，洞內外觀察的重點是觀察進口段的工程水文地質；對洞口明洞、初期支護的開裂、滲水狀況、表面混凝土剝落狀況、噴射混凝土與圍巖接觸狀況；鋼拱架支護狀況；二次襯砌表面裂縫狀況、底鼓等現象進行記錄和整理，可以及時地掌握圍巖變化情況，指導現場施工[2]。

2.2 地表下沉

地表下沉量測是為了觀測隧道通過地段的地表下沉量和下沉范圍；地表有建筑物時還包括觀測建筑物下沉變形情況，同時了解隧道開挖掘進與地表下沉的動態關系[3]。

按照規范和設計圖紙的要求，在隧道洞口段和淺埋段，為了監測隧道上方隧道開挖可能引起的地表沉降區域，應布設地表變形觀測點，監測斷面應與隧道軸線垂直，斷面數量可以根據地表縱向坡度來確定。

指柱山隧道右洞進口段布設地表下沉觀測斷面兩組，橫向布置間距范圍為5 m，布置7個測點，地表下沉觀測點示意圖見圖1。地表下沉量測從進洞開始，直到二次襯砌結構封閉，下沉基本停止時為止。針對淺埋偏壓等特殊地段，監控單位對異常數據斷面加大量測頻率，及時進行量測并反饋數據，更好地掌握地表變化情況。

圖1 地表下沉觀測點示意圖（單位：m）

2.3 周邊收斂量測

周邊收斂位移量測是指隧道兩側壁面測點之間連線的相對位移，能直觀地反映隧道圍巖應力狀態的變化，根據現場實測變形速率可以判斷圍巖的穩定性，確定二襯施作的合理時機，用于指導現場施工。

在V級圍巖地段隧道周邊收斂量測斷面在縱向間距5～10 m左右布設一個，在Ⅳ級圍巖地段縱向間距10～20 m左右布設一個。通過對監控量測數據的整理分析，可以找出其內在發展規律，來評價圍巖的穩定性和支護效果，為修正設計參數和優化襯砌支護參數提供技術依據[4]。

指柱山隧道右洞進口段布設周邊收斂量測斷面縱向間距為5 m，常用的周邊收斂測線布置圖見圖2。隧道進口段采用兩臺階施工法，綜合施工實際情況，周邊收斂量測采用六測線法。

圖2 周邊收斂測線布置圖

2.4 拱頂下沉

由已知高程的臨時或永久水準點，借助于精密水準儀，采取合適的測量方法，就可觀測出隧道拱頂上方各點的沉降量，經過對數據的整理分析就可以找出其中的變化規律。

在V級圍巖地段隧道周邊收斂量測斷面在縱向間距5～10 m左右布設一個，在Ⅳ級圍巖地段縱向間距10～20 m左右布設一個。指柱山隧道右洞進口段拱頂下沉量測的測點縱向間距為5 m，每個斷面布設3個點，分別布設在拱頂、上半斷面左、右45°角周壁點上。

3 監控結果

3.1 洞內外觀察

指柱山隧道右洞進口段圍巖以長城系中統石英巖狀砂巖局部夾層狀泥頁組成，總體上屬于較軟巖，巖體節理裂隙發育，巖石較破碎，圍巖整體完整性較差；埋深淺，洞體內有地下水分布，以點滴水為主。在施工過程中發現初支混凝土局部開裂、剝落，圍巖變形較大，對異常情況及時進行匯總分析，及時修正設計參數和優化襯砌支護參數，消除安全隱患，避免安全事故的發生。

3.2 地表下沉

經過對指柱山隧道右洞進口段地表下沉量測數據的分析匯總，可以及時掌握隧道地表變化情況。從地表下沉曲線圖可以看出，在隧道中線附近地表下沉累計變形值最大，累計實測值達到46.7 mm，隨著隧道縱向開挖長度的增加變形值在逐漸減小，分析原因為在隧道掌子面開挖前期爆破、機械等對圍巖擾動較大，隨著開挖長度的增加經過支護后的圍巖穩定性得到加強，這種擾動的影響在逐漸減小。同時開挖初期正值雨季，雨水充沛，降雨量大，雨水對地表下沉影響較大，加劇變形值的發展。指柱山隧道右線K34+455、K34+460斷面地表下沉實測累計變形見圖 3、圖 4。

圖3 K34+455斷面地表下沉曲線圖

圖4 K34+460斷面地表下沉曲線圖

3.3 周邊收斂

通過對周邊位移量測值的分析可以看出，在開挖前期變形值發展較快，變形速率大，隨著開挖長度的增加經過支護后的圍巖穩定性得到加強，這種擾動的影響在逐漸減小，累計變形值逐漸趨于穩定。由于進口段存在偏壓，實測AC測線累計變形值比AB測線累計變形值大，說明洞口段偏壓明顯，偏壓對收斂變形影響較大。通過對周邊收斂位移數據的匯總分析，及時調整支護參數，確定二次襯砌的施作時間。指柱山隧道右洞進口段K34+460、K34+465斷面周邊位移累計變形值見圖5、圖6。

圖6 K34+465斷面收斂曲線圖

3.4 拱頂下沉

通過對拱頂下沉量測數據的匯總分析可以看出，在隧道掌子面的開挖掘進、仰拱的開挖中對圍巖穩定性影響較大，圍巖變形速率較大，隨著錨桿、鋼拱架、初期支護混凝土等的共同作用，圍巖應力逐漸趨于穩定，變形值也在減小。指柱山隧道右洞進口段K34+460、K34+465斷面實測拱頂下沉累計變形見圖 7、圖 8。

圖7 K34+460拱頂下沉實測曲線圖

圖8 K34+465拱頂下沉實測曲線圖

4 結語

a）隧道淺埋偏壓段的處理一直是隧道現場施工過程中的難點，為此對監控提出了更高的要求，制定科學合理的監控方案和對監控數據準確的匯總分析，可以及時掌握隧道圍巖的變形情況，修正設計參數和優化襯砌支護參數，對隧道進行安全預警，消除施工過程中的安全隱患，防止安全事故的發生，確保施工安全。為現場施工提供技術支持，指導現場施工。

b）洞內外觀察是新奧法施工中的一項重要工作監測項目，對隧道淺埋偏壓段尤為重要，通過對山體植被狀況的調查記錄；對初期支護區域滲水狀況的觀察；對初期支護表面裂縫的發展情況、混凝土是否發生剝落、鋼拱架是否發生壓曲等現象的分析，可以直觀地掌握隧道總體變形情況。

c）地表下沉是洞口淺埋偏壓段的重點監測項目，通過對地表下沉量測數據的分析匯總，可以及時掌握隧道的地表變形狀況。在指柱山隧道進口淺埋段對K34+455斷面、K34+460斷面進行重點監測，發現該兩個斷面的累計變形值較大，同時K34+460斷面的周邊收斂、拱頂下沉累計變形值也較大，且K34+460斷面地表下沉、周邊收斂、拱頂下沉變形趨勢基本一致，可見對于隧道淺埋偏壓段地表下沉、周邊收斂、拱頂下沉變形值三者有著密切的聯系，通過對地表下沉的監測，可以間接反映隧道內圍巖的變形情況。

d）在隧道施工過程中掌子面的開挖掘進、仰拱的開挖對巖體擾動較大，為此在施工過程中應遵循弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測的原則，及時修正設計參數和優化襯砌支護參數，確保施工質量和安全。