浅埋大断面黄土隧道监控量测及施工优化控制研究

2008年第9期 155(5月上)《交通世界》

图1 双侧壁导坑法施工 图2 单侧壁导坑法施工图3 留核心土法施工图4 台阶法施工

前言近年来，随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大，公路隧道修建的数量也日益增多，其中不乏有一些特殊隧道。目前在建的张承高速公路张家口至崇礼段就有隧道4座，特长隧道1座，长隧道1座，中隧道1座，短隧道1座。其中最典型的为草帽山隧道，为典型的黄土石隧道，是本段工程施工技术咨询的重点之一。草帽山隧道为国内少见的黄土石隧道，由于该隧道进口地表覆盖膨胀岩，形成了众多的大小采石场，地表人为破坏十分严重；隧道出口地表为覆盖黄土层，经过多年的雨水冲刷和人为破坏，在地表形成了若干沟壑，纵横交错，最深处达10余米。所有这一切造成隧道开挖过程中上部覆盖层厚度分布严重失衡，给隧道施工带来极大困难。本文以草帽山隧道为背景，对浅埋大断面黄土隧道施工过程中监控量测及施工进行优化研究，并采用现场监控量测对施工优化结果进行验证。

工程概况目前，隧道围岩的稳定性及安全问题已成为一个十分重要的研究课题，尤其是在黄土隧道。黄土地区道路隧道与石质隧道的最大不同点就是拱部沉降和拱脚收敛较大，受制于黄土的节理发育、水的软化作用明显等特殊工程地质性质，由此而引起的隧道工程问题并不鲜见。张承高速公路张家口至崇礼段是

河北省高速公路网布局的组成部分，也是张家口市公路网的高速干线之一，在全省高速公路网中具有举足轻重的地位。草帽山隧道位于张家口－宣化盆地，属低山丘陵区。隧道分左、右线，左线775m，右线782m。隧道进口和出口地势平缓、开阔。草帽山呈长条带状、山岭浑圆，山坡平均坡度多在24°以上，由于开山、挖石等人为作用，有较多陡崖和松散堆积碎石堆。隧道进口浅埋，洞身最大埋深约35m。围岩分为Ⅴ浅埋，Ⅴ深埋、Ⅴ浅埋偏压、Ⅳ和Ⅲ五类围岩。

施工技术方案草帽山隧道净宽12.50m，净高7.45m，建筑限界高度5.0m，均按新奥法原理设计和施工。设计采用柔性支护体系结构的复合式衬砌，即以锚杆、喷射混凝土、钢拱架等为初期支护，二次衬砌采用添加抗裂防水膨胀剂的模筑混凝土或钢筋混凝土，并在两次衬砌之间敷设土工布及防水板。隧道开挖遵循“短开挖，强支护，勤量测，紧封闭”的原则。隧道上下行线进出口共4个工作面同时作业，针对不同地质条件采取不同的开挖方法。Ⅴ级围岩段采用双侧壁导坑法（亚砂土段、浅埋段和浅埋偏压段）、单侧壁导坑法（断层带）和留核心土开挖法（黄土段、深埋段）；Ⅳ级围岩段采用上下断面正台阶法（上台阶可采用拉中槽法）；Ⅲ级围岩段采用上下断面法。Ⅴ级围岩段采用双侧壁导坑法（亚砂土

浅埋大断面黄土隧道监控量测及施工优化控制研究

文/胡 亮TRANSPOWORLD 2008No.9

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BRIDGE&TUNNEL桥梁隧道

段、浅埋段和浅埋偏压段）、单侧壁导坑法（断层带）和留核心土开挖法（黄土段、深埋段）；Ⅳ级围岩段采用上下断面正台阶法（上台阶可采用拉中槽法）；Ⅲ级围岩段采用上下断面法。图1、图2、图3、图4所示为本标段中所采用的隧道施工方法示意图。

现场监控量测现场监控量测内容由于大断面公路隧道围岩稳定的不确定因素较多，隧道的预先设计与实际的地质状况不可能完全相符，在施工中对预先设计进行修改是十分必要的。通过跟踪地质调查与围岩稳定性分析，正确确定围岩类别，根据现场围岩监控量测了解围岩的变形情况，判断施工工艺的可行性和设计参数的合理性，提出适宜的施工方法和合理的支护措施，实现隧道信息化动态控制，达到安全、加快施工进度、节省工程造价的目的。同时，在黄土隧道施工中，由于黄土具有强度低、自稳能力差、受水影响强烈、围岩变形显著等特点，因而监控量测对于该类隧道的施工安全尤为重要。根据有关规范的要求，监控量测项目分为必测项目和选测项目。必测项目为日常施工管理必须进行的量测，其中包括：地质及支护状况观测、周边位移、拱顶下沉、地表沉降量测。选测项目是为未开挖地段的设计及施工提供数据而进行的量测项目，其中包括：围岩压力及两层支护间压力、钢支撑内力及外力，支护、衬砌内应力及表面应力、锚杆内力等。量测断面及测点布置拱顶下沉测量是确认围岩的稳定

性、判断支护效果、指导施工顺序、预防拱顶崩塌、保证施工质量和安全的最基本资料；周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映。因此，对于隧道监控量测而言，最直接、最具有代表性的项目为拱顶下沉与周边位移收敛量测。隧道监测主要采用这两种方法，其中拱顶下沉量测是在隧道开挖后的拱顶处固定涂有十字交叉的反光涂漆角铁作为测桩。埋设前先用小型钻机在待测部位成孔，然后将膨胀螺钉拧紧角铁即可。对于稳定性较差的围岩，测桩可在锚喷支护后布置。隧道围岩周边位移量测测点的埋设方法与拱顶下沉相同；对于预设点的断面，在隧道开挖爆破之后，沿隧道周边在拱顶、拱腰、中墙和边墙部位分别埋设测桩。为消除人为因素对量测精度的影响，拱顶下沉和周边位移采用徕卡TCRA 1100高精度全站仪进行测量。量测频率拱顶下沉、仰拱隆起和周边位移的量测频率如表1所示。

监测结果分析隧道净空位移监测结果及分析鉴于隧道左线拱顶下沉严重问题，于11月13日在LK2+029断面布设周边收敛观测点，断面布设如图5所示。 周边位移收敛的观测步骤为： 使用全站仪分别测出C、A、A′的三维坐标值。利用观测的坐标值分别计算出CA、CA、AA。将每天观测值得到距离和测点埋设后的初次观测距离相减，得到数值的即为收敛值。对监测数据进行分

析，数据分析采用散点图，用圆滑曲线对散点进行连接，净空收敛曲线如图6、图7、图8所示。地表沉降监测分析隧道自开工以来，遇到了拱顶严重下沉量大(已严重超过拱顶下沉预留量)、地表开裂、支护开裂等诸多问题，给工程施工带来了很大的安全隐患，严重影响了施工质量与施工进度。鉴于此，在对LK2+029断面、LK2+032断面进行50余天的监控量测，得到拱顶下沉数据，各点位位移变化曲线如图9、图10所示。隧道围岩应力变化分析由于黄土隧道围岩应力在施工期间多变的特点，采取量测手段，跟踪掌握围岩应力的变形，及时调整支护参数，是黄土隧道施工技术工作的一项重要内容。通过对草帽山隧道RK2+022.5断面进行两个多月的围岩与接触压力量测，从而了解混凝土层与围岩之间的径向压力与作用于初支与二衬之间的接触压力。经过分析所得监测数据，发现隧道初期压力变化曲线在初期增长较快，然后渐趋平缓。压力变化曲线如图11、图12、图13、图14、图15所示。

隧道施工优化控制综合上述监控成果，鉴于掌子面开挖对拱顶下沉及地表沉降的影响比较大，在施工掌子面时，应对掌子面围岩进行预注浆处理，使掌子面前方围岩形成一承载力拱圈，加强围岩的

表1 拱顶下沉与周边位移量测频率量测频率位移速度(mm/d)量测断面到开挖面距离2次/d＞10＜0.5B1次/d5～100.5B～2B1次/2d1～52B～5B1次/7d＜1.0＞5B注：B表示隧道开挖宽度

图5 隧道净空位移断面布设示意图2008年第9期 157(5月上)《交通世界》

承载力与稳定性，做到开挖掌子面下沉小、不坍塌。对已开挖完的断面应及时进行初次喷护，力争做到一次成形，避免初支施工过程过长，从而影响到已支护的围岩。由于围岩开挖，其围岩原始应力的释放需要很长时间，为避免其原岩应

图6 CA累计收敛变化曲线图7 CA’累计收敛变化曲线′图8 AA，LK2+029累计收敛变化曲线

图9 拱顶沉降曲线

图10 拱顶沉降曲线图11 拱顶压力变化曲线图12 左拱腰压力变化曲线图13 右拱腰压力变化曲线 图14 左侧墙压力变化曲线

图15 右侧墙压力变化曲线

力释放过快，从而影响隧道稳定性，在开挖掌子面时，应分阶段的逐次开挖，下导洞的开挖应落后上导洞，具体情况应根据拱顶下沉数据及时进行调整，既满足施工过程控制，又对隧道的整体稳定性影响最小。对整个断面开挖完成的地段，应及时施做围岩的仰拱施工，避免由于隧道断面及上覆土层的自重而造

成的隧道整体下沉。尤其是黄土隧道，其本身的地基承载力就很低。对施做完仰拱的地段也应进行隧道的整体稳定性观察，对继续变形的地段应及时进行地基加强，并对类似地基土进行换填处理，从而保证隧道的整体稳定性，保证隧道在运营期间的稳定与安全。

结论隧道按原设计方案支护后，围岩的变形及塑性区范围得到明显控制。当隧道仰拱施工跟近后，围岩开挖后拱顶下沉明显减少。通过监测结果与现场实际情况对比，表明监测过程控制对隧道施工过程的重要性，应将监测结果及时反馈给施工方，发现问题并及早解决。作者单位：张承高速公路张家口管理处

累计收敛值mm累计收敛值mm

累计收敛值mm

累计沉降值mm

累计收敛值mm压力（Mpa）

压力（Mpa）

压力（Mpa）压力（Mpa）压力（Mpa）