淺埋暗挖隧道施工期間變形監(jiān)測技術(shù)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(yè)會對隧道原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)造成干擾，致使應(yīng)力在隧道內(nèi)部重新分布，產(chǎn)生新的應(yīng)力場，與此同時，隧道周邊圍巖土體力學(xué)性能隨應(yīng)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(dāng)、技術(shù)參數(shù)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(zhì)量、施工進(jìn)度，還可能引發(fā)安全風(fēng)險。

1 變形監(jiān)測技術(shù)在淺埋暗挖隧道施工期間的應(yīng)用價值

通常來講，在進(jìn)行淺埋暗挖隧道的施工過程中，由于施工環(huán)境和其他相關(guān)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(xiàn)場的具體施工進(jìn)度造成阻礙和干擾，同時還會威脅施工人員及設(shè)備的安全與穩(wěn)定。而且，在淺埋暗挖隧道施工中，做好現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控與測量，是每天都需要進(jìn)行的重要內(nèi)容，能夠快速掌握精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息與施工資料，通過對收集到的資料進(jìn)行有機(jī)整合，為隧道的挖掘施工提供更加可靠且準(zhǔn)確的檢測服務(wù)數(shù)據(jù)，可以提前規(guī)避和預(yù)防各種可能出現(xiàn)或發(fā)生的施工狀況。另外，通過應(yīng)用變形監(jiān)測技術(shù)，可以在淺埋暗挖隧道施工時，對其現(xiàn)場的有序進(jìn)行提供實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測與遠(yuǎn)程配合指導(dǎo)，將所獲得的數(shù)據(jù)信息反饋于施工現(xiàn)場，盡可能減少因突發(fā)事件而產(chǎn)生的威脅和阻礙，盡可能降低成本的支出與開銷，為施工團(tuán)隊(duì)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(xiàn)代化儀器設(shè)備和信息技術(shù)，為隧道的施工提供技術(shù)支持與指導(dǎo)，能夠結(jié)合獲取和收集的數(shù)據(jù)信息，完成對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，以及對周邊環(huán)境所造成影響的綜合評估與判斷，幫助施工團(tuán)隊(duì)提前做好突發(fā)事件的預(yù)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(jiān)測數(shù)據(jù)及時做好整理與分析，使管理人員可以對照數(shù)據(jù)結(jié)果，來分析具體施工現(xiàn)場與理想化施工目標(biāo)的契合程度，從而為其決策的科學(xué)性與合理性提供理論支持與保障。通過應(yīng)用變形監(jiān)測技術(shù)，可以及時做好預(yù)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(jī)理

2.1 地層條件的影響

淺埋暗挖隧道施工區(qū)域在開挖過程中，其地層巖土體結(jié)構(gòu)對于地層變形起到絕對的影響。如果施工區(qū)域的地層能夠形成自然的塌落拱結(jié)構(gòu)，將會極大地提高施工區(qū)域地層的承載能力，減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(qū)域的巖土體較為軟弱，且施工區(qū)域的巖土性質(zhì)較為復(fù)雜，相應(yīng)的物性指標(biāo)較差，因此，在進(jìn)行淺埋暗挖隧道施工時，要對施工區(qū)域進(jìn)行實(shí)地勘測，從而檢驗(yàn)巖土體物性指標(biāo)確定其是否能夠形成塌落拱結(jié)構(gòu)，如果不能需要借助輔助措施，助力塌落拱結(jié)構(gòu)的形成[1]。

2.2 技術(shù)方法的影響

合理的淺埋暗挖隧道施工技術(shù)方法對于地層穩(wěn)定起到絕對的影響作用?，F(xiàn)階段，該施工技術(shù)常見的方法主要有全斷面、中隔壁、交叉中隔壁、單側(cè)壁導(dǎo)坑法等。在進(jìn)行方法選擇時，相應(yīng)的施工單位要根據(jù)施工區(qū)域的實(shí)際情況，利用數(shù)字化技術(shù)對施工現(xiàn)場進(jìn)行勘測，了解施工區(qū)域的水文、地表、地質(zhì)等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行施工方法的選擇。

從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，全斷面法的施工效果最好，依次是中隔壁、交叉中隔壁、單側(cè)壁導(dǎo)坑法。但是，如果從施工安全角度考慮，那么相應(yīng)的選擇順序與之完全相反。所以，施工團(tuán)隊(duì)要根據(jù)實(shí)際需求，進(jìn)行合理化的方法選擇。

2.3 隧道埋深的影響

在進(jìn)行淺埋暗挖隧道施工時，其隧道埋深指標(biāo)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(yīng)的加固處理技術(shù)，減輕淺埋暗挖隧道施工對地層產(chǎn)生的沖擊。

因此，在進(jìn)行隧道埋深處理時，相應(yīng)的技術(shù)人員要時刻關(guān)注覆跨比值，將地表沉降情況控制在可控區(qū)間。如果其覆跨比過小，將會加大工程建設(shè)成本，從而降低該工程的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2.4 地下水的影響

現(xiàn)階段，進(jìn)行淺埋暗挖隧道施工，其施工區(qū)域巖土體的地下水含量較為豐富，在施工前期需要進(jìn)行地下水降排水處理。城市巖土體地下水含量與其強(qiáng)度成正比，如果地下水進(jìn)行降排處理，將會使得巖土體強(qiáng)度減弱，從而破壞巖土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增大圍巖的有效應(yīng)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(qū)域出現(xiàn)凹陷，引發(fā)地層變形。

研究表明，地下水下降規(guī)律與地層變形規(guī)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(yīng)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(wěn)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(shí)例的變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 工程概況

為了推動當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代化建設(shè)，增強(qiáng)該次淺埋暗挖隧道施工變形監(jiān)測技術(shù)研究的針對性，本次選取某真實(shí)案例為依據(jù)展開具體分析。本案例工程項(xiàng)目需要對某地區(qū)增設(shè)一條長達(dá)80m，寬約42m的淺埋暗挖聯(lián)絡(luò)隧道，其本身長鏈0.499m，短鏈3.250m，區(qū)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(nèi)部設(shè)置區(qū)間人防結(jié)構(gòu)和聯(lián)絡(luò)通道，使其能夠有效實(shí)現(xiàn)信息的高效傳達(dá)。由于該地區(qū)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(xiàn)從南向北的傾斜狀態(tài)，但是相對高差總體較小，為隧道施工創(chuàng)設(shè)良好的前提條件。另外，由于本身地理環(huán)境的特點(diǎn)，其常年氣候變化相對較為明顯，溫度最高能達(dá)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(zhǔn)備進(jìn)行隧道挖掘之前，需要選定具體的施工季節(jié)，盡可能降低環(huán)境因素對施工的干擾和阻礙。而且由于該地區(qū)總體巖層分布較為均勻，施工管理人員要通過數(shù)據(jù)監(jiān)測的方式，獲取施工區(qū)域的實(shí)地考察數(shù)據(jù)信息，并通過有效整合，對施工路線進(jìn)行優(yōu)化與完善，確保隧道挖掘施工能夠在規(guī)定時間內(nèi)，順利交付。

3.2 不良地質(zhì)

對淺埋暗挖隧道施工案例地質(zhì)條件深入剖析，為后續(xù)變形監(jiān)測技術(shù)的有效運(yùn)用奠定基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際情況來看，案例工程存在不良地質(zhì)，經(jīng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)主要表現(xiàn)為季節(jié)性凍土、人工填土，并未出現(xiàn)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(qū)域的凍脹性地質(zhì)進(jìn)行總結(jié)，在隧道施工標(biāo)段內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度與最大凍結(jié)深度分別為1.90m、2.05m，對凍結(jié)深度范圍內(nèi)的土壤地質(zhì)構(gòu)成進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)為粉質(zhì)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(zhì)加大了地層變形問題的發(fā)生。對案例淺埋暗挖隧道施工工程的地基土質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行總結(jié)，如表1所示。

表1 案例淺埋暗挖隧道施工工程的地基土質(zhì)性質(zhì)

3.3 監(jiān)測內(nèi)容

3.3.1 監(jiān)測項(xiàng)目

在案例淺埋暗挖隧道施工工程項(xiàng)目中，將監(jiān)測內(nèi)容劃分為兩部分，即選測與必測，其中選測是對施工區(qū)域的環(huán)境因素、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的針對性監(jiān)測，主要用于真實(shí)反映與呈現(xiàn)隧道受力狀況及結(jié)構(gòu)形變狀況；而必測則是對關(guān)鍵指標(biāo)的監(jiān)測，主要用于監(jiān)測關(guān)鍵項(xiàng)目，該類監(jiān)測作業(yè)能夠最為直觀地表現(xiàn)出工程項(xiàng)目受力狀況及結(jié)構(gòu)形變情況。

對淺埋暗挖隧道施工工程項(xiàng)目中常見的隧道施工監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)，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(yùn)用變形監(jiān)測技術(shù)過程中，主要針對初期支護(hù)拱頂下沉、初期支護(hù)凈空收斂、地表沉降進(jìn)行施工監(jiān)測，將上述三個項(xiàng)目內(nèi)容(支護(hù)拱頂下沉、支護(hù)凈空收斂、地表沉降)作為必測內(nèi)容，地下水作為選測內(nèi)容，對案例淺埋暗挖隧道施工工程項(xiàng)目勘察調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)地下水對隧道變形的作用程度較小，故最終將選測內(nèi)容剔除監(jiān)測項(xiàng)目，主要對支護(hù)拱頂下沉、支護(hù)凈空收斂、地表沉降三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測。

表2 淺埋暗挖隧道施工工程項(xiàng)目中常見的隧道施工監(jiān)測項(xiàng)目

3.3.2 初期支護(hù)拱頂下沉監(jiān)測

在淺埋暗挖隧道工程項(xiàng)目中，初期支護(hù)拱頂下沉可引發(fā)隧道地表沉降問題，一旦隧道地表發(fā)生沉降，則會對隧道周邊的構(gòu)筑物及建筑物產(chǎn)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(shù)據(jù)的動態(tài)化監(jiān)測，能夠幫助施工人員精準(zhǔn)把握隧道圍巖支護(hù)狀況以及圍巖穩(wěn)定性，能夠有效保障隧道施工安全性，提升施工質(zhì)量。因此，在案例淺埋暗挖隧道工程施工期間，根據(jù)隧道施工實(shí)際情況而科學(xué)設(shè)計(jì)變形監(jiān)測技術(shù)體系的，對初期支護(hù)拱頂下沉進(jìn)行變形監(jiān)測時，需于隧道掌子面區(qū)域設(shè)置拱頂下沉監(jiān)測點(diǎn)位，要求開挖面控制在2m之內(nèi)，根據(jù)隧道具體狀況，以10～15m(具體數(shù)值視隧道具體狀況而定)設(shè)置監(jiān)測斷面，拱頂下沉監(jiān)測點(diǎn)位布置情況具體可見圖1。

圖1 拱頂下沉監(jiān)測點(diǎn)位

對初期支護(hù)拱頂下沉進(jìn)行變形監(jiān)測期間，提前準(zhǔn)備預(yù)埋件，按照圖1所示點(diǎn)位，將其預(yù)埋至隧道拱頂結(jié)構(gòu)內(nèi)，由淺埋暗挖隧道基準(zhǔn)點(diǎn)逐步測量內(nèi)部基準(zhǔn)點(diǎn)高程，隨后基于隧道內(nèi)部基準(zhǔn)點(diǎn)，對施工期間的預(yù)埋件高程加以測量，記錄高程數(shù)據(jù)，重復(fù)三次，計(jì)算平均值之后，將其作為該次變形監(jiān)測的初期支護(hù)拱頂下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)[4]。待下一次完成預(yù)埋件高程測量后，將其與上一次監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)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(yīng)用數(shù)據(jù)曲線的方式呈現(xiàn)初期支護(hù)拱頂下沉變形監(jiān)測結(jié)果，還引入仿真模擬技術(shù)，構(gòu)建變形監(jiān)測模型，用于動態(tài)化演示初期支護(hù)拱頂下沉的動態(tài)結(jié)果，以此幫助作業(yè)施工人員精準(zhǔn)把握變形狀況，一旦出現(xiàn)異常狀況則可及時發(fā)現(xiàn)并處理。

3.3.3 初期支護(hù)凈空收斂監(jiān)測

在淺埋暗挖法隧道施工工程項(xiàng)目中，凈空收斂屬于變形監(jiān)測中的必測項(xiàng)目，且是案例淺埋暗挖法隧道施工中的關(guān)鍵監(jiān)測內(nèi)容，對于施工作業(yè)而言，凈空收斂監(jiān)測結(jié)果可直接呈現(xiàn)出隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)構(gòu)之間存在的受力狀態(tài)，幫助施工作業(yè)人員了解隧道結(jié)構(gòu)整體狀況，對初期支護(hù)凈空收斂完成動態(tài)測量后，則可基于該數(shù)據(jù)判斷得出隧道穩(wěn)定性程度，為后續(xù)淺埋暗挖法隧道施工作業(yè)的實(shí)施提供指導(dǎo)。在具體變形監(jiān)測過程中，需將凈空收斂點(diǎn)位布置于拱頂下沉監(jiān)測點(diǎn)位的同一斷面內(nèi)，通常情況下，多將初期支護(hù)的凈空收斂監(jiān)測點(diǎn)位布置于距離開挖面的2m之內(nèi)，若變形監(jiān)測點(diǎn)的布置受核心土長度影響，則可將其變形監(jiān)測點(diǎn)位設(shè)置至斷部位置。隧道開工后的12h之內(nèi)，需完成初期支護(hù)凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)[5]。對凈空收斂點(diǎn)位進(jìn)行布置時，可于拱腰區(qū)域進(jìn)行鉆孔，借助膨脹螺絲收緊，而凈空收斂監(jiān)測點(diǎn)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(cè)設(shè)置凈空收斂變形監(jiān)測點(diǎn)位，具體設(shè)置情況條具體可見圖2。

實(shí)施初期支護(hù)凈空收斂變形測量過程中，需將膨脹螺栓提前埋設(shè)，并對膨脹螺栓布置間距進(jìn)行測量，為防止誤差影響測量結(jié)果，應(yīng)至少測量三次，計(jì)算平均值，得出初期支護(hù)凈空收斂數(shù)據(jù)。按照監(jiān)測頻率標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施變形監(jiān)測，將淺埋暗挖隧道施工期間的初期支護(hù)凈空收斂數(shù)據(jù)與最初數(shù)據(jù)進(jìn)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(jiān)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(xiàn)擾動，對隧道周邊巖土造成影響，與此同時，由開挖施工所產(chǎn)生的擾動則會通過應(yīng)力而傳遞至隧道地表，繼而改變隧道圍巖土體的力學(xué)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(xué)狀態(tài)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(xiàn)出施工期間的隧道變形程度。對于位于城市區(qū)域的隧道結(jié)構(gòu)，若隧道施工期間出現(xiàn)地表沉降問題，隨便周邊構(gòu)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(yán)格監(jiān)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(xiàng)目中，基于隧道技術(shù)方案布置監(jiān)測點(diǎn)，以2～5m為間距橫向布置監(jiān)測點(diǎn)位，而縱向則以5m為間隔布置地表沉降監(jiān)測點(diǎn)位。

3.4 數(shù)據(jù)分析

變形監(jiān)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(jiān)測可能出現(xiàn)誤差，因此，完成變形監(jiān)測并記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)后，還需對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，用于提升變形監(jiān)測結(jié)果的精準(zhǔn)性，并科學(xué)判斷數(shù)據(jù)可靠性，分析誤差程度，若發(fā)現(xiàn)誤差超出允許標(biāo)準(zhǔn)，則需選擇適宜方式對誤差數(shù)據(jù)加以修正。完成淺埋暗挖隧道施工期間的變形監(jiān)測之后，及時提交測量所得數(shù)據(jù)，確保施工團(tuán)隊(duì)可充分把握淺埋暗挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖結(jié)構(gòu)的變形狀況，繼而為后續(xù)隧道開挖施工提供指導(dǎo)，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(xiàng)目中，拱頂下沉、凈空收斂、地表沉降的標(biāo)準(zhǔn)變形累計(jì)值分別為15mm、10mm、30mm，三者的標(biāo)準(zhǔn)變化速率分別為3mm/d、2mm/d、3mm/d。若發(fā)現(xiàn)累計(jì)變形量、變化速率超過標(biāo)準(zhǔn)值70%，則屬于黃色預(yù)警，需提高變形監(jiān)測頻率，細(xì)致觀察具體情況；若超出標(biāo)準(zhǔn)值的85%，則屬于橙色預(yù)警，此時應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)；若變化速率劇增，累計(jì)變化量超出標(biāo)準(zhǔn)，則屬于紅色預(yù)警，需暫停施工進(jìn)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的73%，提高監(jiān)測頻率進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)拱頂下沉變化速率后續(xù)逐漸降低，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平，變形風(fēng)險較低。

4 結(jié)語

在淺埋暗挖隧道施工過程中，變形監(jiān)測技術(shù)具有較高應(yīng)用價值，有助于施工人員把控技術(shù)細(xì)節(jié)，及時發(fā)現(xiàn)并應(yīng)對可能存在的突發(fā)狀況，因此，為避免底層變形而影響施工作業(yè)，杜絕安全隱患，應(yīng)在淺埋暗挖隧道施工過程中做好變形監(jiān)測。在淺埋暗挖隧道施工案例中，經(jīng)變形監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)存在黃色預(yù)警，部分結(jié)構(gòu)存在超出標(biāo)準(zhǔn)值70%的情況，但超出程度較小，適當(dāng)提高監(jiān)測頻率，隨后發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)逐漸歸于正常，并無變形問題出現(xiàn)。