高原冻土鄂拉山隧道施工变形监测分析

李 鹏

(中铁二十一局集团第四工程有限公司，陕西西安 710065)

高原冻土鄂拉山隧道施工变形监测分析

李 鹏

(中铁二十一局集团第四工程有限公司，陕西西安 710065)

隧道施工监控量测可以提供拱顶沉降、水平收敛等数据，供建立变形监测模型，根据模型可预测监控量测数据的走势，进而指导隧道施工。本文首先对变形监测的原理和方法进行介绍，然后结合鄂拉山隧道施工过程中的变形监控模型预测结果，综合分析冻土隧道变形规律，并依据出口浅埋偏压段的观测结果调整了施工方案。后续监测显示，洞内变形得到了有效控制，拱顶沉降和水平收敛处于趋稳状态。

冻土隧道 浅埋 偏压 变形监测 模型预测

1 工程概况

鄂拉山隧道隧址区属冰缘及构造侵蚀中高山，地形中间高南北低，东西两侧为南北走向高山，海拔最高4 780 m。隧道穿越鄂拉山段，海拔介于4 299.3～4 488.65 m，高差189.35 m。多年冻土分布于鄂拉山南北坡进出口及山顶处。隧道进出口地层岩性为第四系中更新统冰水堆积物，表层为粉质黏土，厚约1.2～1.5 m，下部为含亚黏土的碎石土。进出口穿越冰水堆积物多年冻土区，多年冻土区上限1.2～1.6 m，下限35～56 m。含亚黏土的碎石土以多冰、富冰、饱冰冻土为主，其稳定性极差。隧道洞身段穿越的的地层为三叠系弱风化的凝灰岩夹少量安山岩。岩体受地质构造及风化作用较严重，节理裂隙发育，层间小断层及挤压破碎带较发育，岩体完整性较差，岩体呈块状及碎块状镶嵌结构，基岩裂隙水发育。隧道进出口段围岩节理裂隙发育，岩体完整性很差。多年冻土及冻岩对隧道进洞段开挖影响较大，冻土冻结时，岩土体强度较高，但开挖融化后，含亚黏土的碎石土呈软塑状，强度极低，成洞极为困难。岩石冻结时强度高，开挖后冻岩融化，裂隙张开，强度降低，易风化呈碎块状。受反复冻融作用，洞身极易变形。鄂拉山隧道出口段K305+635—K303+500，全长 2 135 m，其中 K305+630—K305+405段为长225 m的Ⅴ级围岩永久浅埋冻土段，最小埋深为5.8 m，且偏压严重，地质条件及其复杂。隧道主要结构为超前小导管、钢拱架喷锚支护、C20钢筋混凝土一次模筑支护、复合防水保温层、二次钢筋混凝土衬砌。

冻土隧道施工中对温度极为敏感，施工中采用了夜间施工、通风、控制机械作业时间等综合措施，将施工温度限制在5℃～10℃之间。尽管如此，依然出现隧道沉降、收敛大的情形。对于冻土隧道，此前可以借鉴的经验较少，而且即便同为冻土，由于所处地域气候环境和地质条件各不相同，施工中出现的情况也千差万别，加之鄂拉山隧道出口除冻土外，还存在浅埋和偏压等多种因素。因此，针对这一实际情况，加强了隧道的监控量测与分析，以期为后续施工提供指导。

2 隧道监控量测

2.1 量测项目及方法

根据测量规范要求，隧道监控量测的必测项目有洞内外观察、周边位移、拱顶下沉和地表下沉。在洞内外观察时主要采用现场观察，数码相机留取影像资料。周边位移、拱顶下沉、地表下沉全部采用全站仪测量。

2.2 量测原理

2.2.1 传统量测(相对位移观测法)

采用全站仪进行净空水平收敛和拱顶沉降测量，是通过精确测定监测点的坐标再通过计算间接求出水平收敛和与监测点的相对高差。虽然克服了收敛计、钢挂尺等对测量平台的依赖，减少了对施工的干扰，但只能得出沉降和收敛的相对位移，不能反映监测点的整体系统变形。

2.2.2 绝对三维坐标量测

相对位移观测法中如果把全站仪架于已知点上或者与已知基准点联测，即可完成绝对三维位移监测，使得收敛变形表现为三维坐标量的绝对变化，可以客观而全面地反映出测点的变形情况。其优点是：在具有相对位移观测法优点的同时，可完成三维绝对坐标测量，能反映监测点的整体绝对变形信息。本项目使用绝对三维坐标量测，以更好地满足隧道施工需要。

2.3 监测结果与分析

监控量测的数据在处理时，可以提供变形数据，供建立变形监测模型，同时根据模型可预判和预测监控量测数据的走势，两者相辅相成，互为补充，共同为施工监控量测服务。

2.3.1 模型关系的建立

经观测，出口浅埋偏压段施工中洞内环境温度控制在5℃ ～10℃时，随时间T的增大，拱顶沉降量S和收敛值U随之增大，并未出现拱顶沉降和收敛趋势减小和趋稳的现象，与新奥法的原理并不相符，相反在完成一次模筑的施作后，才趋于稳定，基本不再发生变形。将S－T，U－T的数据对应点绘于平面坐标系中，点呈线性分布，符合最小二乘法的适用范围。据此可建立变形监测模型，即拱顶沉降量S与时间T，收敛值U与时间T的模型。

2.3.2 最小二乘法求解原理

在研究两个变量(x，y)之间的相互关系时，通常可以得到一系列成对的数据(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xm，ym)，将这些数据描绘在X－Y直角坐标系中，若发现这些点在一条直线附近，可以令这条直线方程为

其中：a0，a1是任意实数。

为建立这条直线方程就要确定a0和a1，应用最小二乘法原理，将实测值yi与利用式(1)计算出的值(yj=a0+a1xi)的离差(yi－yj)的平方和Σ (yi－yj)2取最小值作为优化判据。

得到一个以a0，a1为未知数的方程组，解这个方程组得出

将a0，a1代入式(1)中，此时的式(1)就是所求方程。

2.3.3 施工中建立的部分模型

1)洞口拱顶累计沉降量与时间的模型S－T

建立以拱顶累计沉降量S与时间T的关系模型S－T，即S=a0+a1T。以里程K305+630(据明暗交界处)监测断面数据(表1)为例，求得 a0=2.27，a1=15.07，函数为S=15.07T+2.27，图形见图1。

表1 里程K305+630监测断面拱顶累计沉降观测数据(预留沉降量300 mm)

图1 K305+630断面拱顶累计沉降量曲线

2)洞内累计收敛值与时间的模型U－T

建立以累计收敛值U与时间T的关系模型U－T，即U=a0+a1T。以里程K305+575监测断面数据(表2)为例，求得 a0= －3.96，a1=35.87，函数为 U=35.87T －3.96，图形见图2。

表2 里程K305+575监测断面累计收敛观测数据(预留变形量350 mm)

图2 K305+575断面累计收敛值曲线

3 施工方案调整和实施效果

在施工中，针对洞口拱顶沉降量大和洞内收敛变形大分别采取了一系列控制和处理措施。

3.1 洞口拱顶沉降控制

观测结果：①拱顶沉降量大，K305+630断面在开挖后，一直没有明显减小趋势，14 d时累计沉降量达212 mm。根据沉降模型进行预测，将在第20 d发生侵限，此时沉降量S=15.07×20+2.27=303.7 mm，超出300 mm的预留沉降量。②根据绝对坐标，相对收敛较小，但点位发生向下位移。这与刚进洞初支长度短，受到的约束较少有关;同时拱顶伴有向前的水平位移，14 d时累计位移达74 mm。说明山体已经发生移动，处于不稳定状态。③据地表观测，靠近洞口的山体平均位移在35 mm左右。④洞顶山体仰坡坡面有宽20～30 mm的裂缝出现。

施工方案调整：①增加I22a型钢拱架作为背拱支撑，间距50 cm，背拱钢拱架与初支间用木楔填塞，密贴为整体共同受力;②增加临时水平支撑和竖支撑，以增加支撑强度;③施作临时仰拱，在水平支撑加固后，再喷射混凝土形成临时仰拱，增加整体抵御变形的刚度，形成较大的承压面积;④环向打设长3.5 m，间距1 m的φ42×4注浆小导管，注入水泥—水玻璃双液浆，以固化周边岩体;⑤在一次模筑施工时，直接将背拱钢拱架浇筑在内，避免了因拆除引发的进一步变形，同时以钢拱架取代一次模筑的钢筋，整体稳定性更好;⑥对明洞进行加长，由原设计的5 m增加为25 m，同时对明洞基底承载力不足处采用C15片石混凝土进行换填处理，将端墙式洞门改为削竹式洞门，在明洞施作完成后对洞口段反压回填。

实施效果：实施了上述一系列措施后，洞口拱顶沉降得到有效控制，洞口山体趋于稳定。

3.2 洞内收敛变形控制

观测结果：①洞内收敛变形量大。K305+575断面在开挖后，一直没有明显收敛迹象，在第10 d已发生侵限，收敛值达358 mm，超出350 mm的预留变形量，同时围岩出现纵向裂纹和掉块现象;在第14 d时，收敛值已达496 mm，掉块和开裂十分严重，同时初支钢拱架已发生一定变形，形成较大安全隐患。根据收敛模型进行预测，在第20 d时收敛值 U=35.87×20－3.96=713.4 mm，届时钢拱架将发生严重变形，初支可能失稳。②根据绝对坐标，靠近山体左侧绝对收敛值大，靠近冲沟的临空面绝对收敛值小很多，说明偏压对隧道影响严重。③根据地表观测，部分点位在14 d内发生120～150 mm的位移，且位移方向垂直于隧道，说明山体已发生移动处于不稳定状态。④洞顶山体坡面出现多处沿隧道方向的裂缝，第14 d时裂缝宽度最大达220 mm，山体存在滑塌迹象。

施工方案调整：①暂停洞内施工，采用枕木、方木搭设马兰垛，同时配合工字钢构建支撑体系，减小和控制洞内变形的进一步发生;②召开专家论证会，对可能存在的山体滑塌隐患进行原因分析并制订对策;③对浅埋段进行地表注浆;④对偏压段左侧山体采取5级坡面卸载，卸载后的土方填筑在冲沟浅埋段，不仅彻底去除了滑坡的危险因素，而且填筑的土体形成了反压，利于山体的稳定;⑤后续施工中，将浅埋永久冻土段原设计的Ⅴ级围岩支护参数调整为Ⅴ级加强(参考Ⅵ级围岩支护参数)。

实施效果：实施了以上措施后，浅埋、偏压带来的不利影响已明显改善，且由于注浆加固的原因，洞内收敛得到有效控制，后续施工得以开展。

4 结语

在鄂拉山冻土隧道施工中，依据变形监测数据分析和模型预测结果，综合分析了围岩动态，对围岩的稳定性做出评价，便于管理层作出施工决策、优化和调整施工方案。

本隧道施工中对监控量测工作的重视，真正发挥了其对施工的指导作用，不仅使隧道施工顺利通过冻土段，而且预防了潜在的质量安全事故和后期运营存在的隐患，所得经验可为类似施工借鉴。

［1］刘向阳．浅埋公路隧道洞口段施工技术［J］．铁道标准设计，2004(11)：72-73．

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［4］夏述光，葛勇，李涛，等．竹山隧道大变形特征及机理研究［J］．铁道建筑，2013(6)：56-58．

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Monitoring analysis on deformation of Elashan tunnel in construction in plateau frozen soil

LI Peng
(The 4th Engineering Co．，Ltd．of China Railway 21th Bureau Group，Xi'an Shaanxi 710065，China)

Tunnel construction monitoring can provide the data of vault settlement and horizontal convergence for establishment of deformation monitoring model，which could predict the trend of monitoring and measurement data for guiding tunnel construction．This paper introduced the theory and method of deformation monitoring，made a comprehensive analysis of frozen soil tunnel deformation law combined with the prediction results of deformation monitoring model in the ELA mountain tunnel construction process，and adjusted the construction scheme according to the observation of export shallow bias section．The subsequent monitoring results showed that the tunnel deformation has been effectively controlled，and the vault settlement and horizontal convergence is in a stabilized state．

Frozen soil tunnel;Shallow;Bias;Deformation monitoring;Model forecast

(责任审编 葛全红)

U456.3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．09

1003-1995(2014)10-0036-04

2014-03-20;

2014-07-20

李鹏(1978— )，男，河北新乐人，高级工程师。