淺埋隧道地表監測簡要分析

艾同 祝李京

公路隧道在洞口或者淺埋段開挖時，洞頂圍巖風化嚴重，且覆蓋土層較薄，隧道在開挖過程中土層受到爆破震動或者降雨影響，導致土層松散，破壞原有的土體力學平衡，從而引發隧道塌方冒頂事故，造成人員及財產損失，影響施工進度。地表監測數據能夠有效地反應隧道上方巖土層沉降變化，對下一步的施工提供科學依據，有效控制爆破藥量，避免施工安全事故的發生，節省施工工期。

一、背景資料

1.工程概況

湖北省麻城至竹溪高速公路大悟境段某隧道地處大悟縣芳畈鎮滾河村境內。隧道為上、下行分離的四車道高速公路隧道，隧道左線起訖樁號為ZK73+240.00～ZK74+160.00，隧道右線起訖樁號為ZK73+244.50～ZK74+164.60，中線最大埋深114m，隧道建筑限界寬度為10.75m，隧道建筑限界高度5.0m，設計速度100km/h。隧道區處在構造剝蝕丘陵低山區，山體(脈)呈近南北向展布，延綿數十公里，呈波起伏景觀，坡度20～50°，植被生長茂密。隧道區內底層巖性主要出露第四系沖洪積(Q4al +pl) 粉質粘土，中元古界一紅安群CPt2H，七角山組CPtq，白云鉀主片麻巖，夾綠泥鉀片巖和變質輝綠巖。

隧道右幅在洞口開挖時發生小規模少量的塌方冒頂，地表監測變形量較大，同時地表出現了小空洞和裂縫。

2.原因分析

（1）不良地質情況：隧道右幅掌子面巖性為強風化白云鈉長片麻巖，層間粘結力差，巖質軟，巖體極破碎，裂隙極發育，并夾雜有泥土，拱頂部分主要為松散土，左側伴有滲水。隧道洞口處坡度較大，埋深淺，容易引起塌方。

（2）施工方法：在洞口開挖時，中間預留核心土未能滿足要求，爆破藥量及爆破尺寸未能掌控好，破壞原有圍巖之間的力學平衡，從而導致管棚在連接圍巖時發生塌方冒頂。

二、地表沉降點布設

按照設計文件要求，地表下沉量測點集中設在隧道洞口和淺埋段，選定的量測斷面區域內，橫向布置間距范圍為2～5m，左右幅洞口地表均埋設兩排（因場地限制前后兩排間距為1m），每排7個點，共計28個點，隧道中線附近密些，遠離隧道中線處疏些。在測點位置挖長、寬、深均為200mm的坑，然后放入地表測點預埋件（自制），埋入深度約為0.5m，測點四周用砼填實，為滿足精度要求，且不影響施工進度，待砼固結后即可量測，在預埋件頂端安放全站儀棱鏡，使用分辨率為0.1mm的精密全站儀進行觀測。

三、監測數據分析

按照規范及設計要求，根據現場實際情況在邊坡穩固后，在邊坡上方地表埋設監測點并采取初始值，進行觀測，直到數據變化穩定。

圖1 右線地表第一排監測點沉降速率

圖2 右線地表第二排監測點沉降速率

圖3 右線地表第一排監測點累計沉降

圖4 右線地表第二排監測點累計沉降

圖5 右線地表沉降點累計沉降

1.通過圖1和圖2可以得知每個監測點在時間段內的波動，從而反應施工過程中圍巖動態的實際信息，在動態圖中可以直白地反應每個測點在施工過程中的變化，判定圍巖及初期支護的穩定性，分析支護結構參數，為設計和施工提供依據。對存在異樣變化的測點進行復核，結合現場施工情況，找出影響圍巖異樣動態的因素，指導下一步施工。

2.通過圖1、圖2、圖3、圖4可以得知每個測點的累計變化，從而得知圍巖的變化趨勢，隨著掌子面的掘進，在洞口73326～73328段發生塌方冒頂，所有測點在此刻沉降量驟然增大。在項目部立即采取相應措施后，圍巖穩定性得到有效控制，沉降速率變小，直至73356斷面，沉降速率逐漸趨于穩定。

3.通過圖5了解斷面每個點的變化趨勢和關系，隨著時間的推移，掌子面的推進，橫斷面測點沉降量呈漏斗狀，隧道中心軸位置YDB1-4和YDB2-4沉降值最大，離中心軸越遠沉降越小。對每排測點之間的距離和沉降量的關系進行擬合曲線分析，得到以下擬合函數公式：

第一排測點：y=1.2794X2-10.533X-6.9343、R2=0.9645；（1）

第二排測點：y=1.3587X2-11.496X-4.1114、R2=0.9808；（2）

式中：X為測點距隧道中線的距離，向左為負，向右為正，y為測點的最終沉降。R2為監測數據與擬合函數直接的吻合程度，R2越接近1越吻合，反之越接近0越不吻合。

四、監測數據對比分析

隧道從洞口開始到掌子面73331前，每天進尺1m，之后改為每天進尺2m。將2排測點縱向分組對比分析，每組2個測點，分為7組，按順序分別為YDB1-1～YDB2-1、YDB1-2～YDB2-2、YDB1-3～YDB2-3、YDB1-4～YDB2-4、YDB1-5～YDB2-5、YDB1-6～YDB2-6、YDB1-7～YDB2-7；結果如圖6、7、8、9、10、11、12所示。

圖6 測點YDB1-1與YDB2-1

圖7 測點YDB1-2與YDB2-2

圖8 測點YDB1-3與YDB2-3

圖9 測點YDB1-4與YDB2-4

圖10 測點YDB1-5與YDB2-5

圖11 測點YDB1-6與YDB2-6

圖12 測點YDB1-7與YDB2-7

1.圖6～圖12為地表沉降點累計沉降量與時間的關系。

2.由于現場局限性兩排地表沉降點距離較近，圍巖性質相同，圖6～圖12地表沉降點在同一縱向不同斷面的變化趨勢類似，同時可以相互對比論證，進行監測數據修正；距離隧道中線越近，同縱向不同斷面沉降波動越大，反之離隧道中線越遠波動越平緩，沉降值越接近。

3.從圖6～圖12可知，同一斷面不同測點沉降量不同，變化趨勢區別不大。

4.圖6～圖12看出，隧道洞口在施做管棚、打超前注漿錨桿期間，地表會發生豎向位移，有上鼓趨勢；隨著掌子面的推進，在未到監測斷面時地表沉降量較小，起伏不定；當掌子面推進到接近監測斷面時，發生冒頂塌方，地表沉降量瞬間增大；在及時采取有效措施后，地表沉降量逐漸減小，漸漸恢復正常變化趨勢；當掌子面超過監測斷面1.6倍洞涇后，地表沉降量逐漸趨于穩定，此時已完成沉降總量的85%左右；其中，掌子面開挖到監測斷面是沉降速率最大，沉降量已完成總量的55%左右；其中掌子面開挖到接近監測斷面發生冒頂塌方時沉降量為總完成量的26%左右。

五、結語

在建隧道施工過程中，圍巖的動態監測尤為重要，特別是在淺埋地段和地質條件較差的時候，由于開挖過程中的擾動，打破地質體原有的平衡狀態，從而引發更加復雜的圍巖動態變化。本次塌方冒頂影響因素：巖層傾角走向、巖體破碎、層間夾泥、山體滲水、施工作業過程存在不足、核心土預留為滿足要求、爆破藥量及爆破尺寸未能掌控好等多方面影響圍巖穩定性的主客觀原因。通過對地表沉降監測數據的處理得知淺埋隧道洞口處上方圍巖與掌子面開挖斷面的關系，同時因為本次塌方冒頂的特殊性質，分為：輕微鼓起、起伏不定、微小沉降、瞬間沉降、沉降減小、趨于穩定等6個階段。因此，在開挖過程中及時對監控數據及地質條件進行分析，結合現場具體情況選擇合適的支護，規范施工，確保施工的安全和效率。