基于监测数据的浅埋隧道大变形成因分析及其处治对策

许敏娟

摘要：为了解决隧道穿越浅埋偏压、松散破碎地层时极易发生大变形、坍塌等安全事故的问题，依托实际工程分析了隧道开挖后初支背后围岩压力、拱顶沉降、支护结构内力及衬砌表观病害的变化规律与分布特征，得到隧道结构的受力变形特征，进而阐明浅埋段大变形的形成机理，并针对其形成机理给出了处治策略，可为后续施工控制及同类工程的顺利修建提供借鉴。

关键词：浅埋隧道；偏压；大变形；监控量测

中图分类号：U457.3

文献标志码：B

引言

进入21世纪后，中国公路隧道得到快速发展，截止至2013年底，已建成公路隧道11359处、9605.6km。然而，受多山地貌的影响，隧道结构不可避免地会碰到浅埋偏压、断层破碎带、高地应力等不良地质环境，给工程建设带来了巨大的困难。与洞身段相比，隧道洞口通常处于浅埋、偏压、围岩破碎等复杂地质、地形条件下，同时受洞口边仰坡的影响，空间受力条件复杂，施工中容易出现大变形、支护开裂等问题，甚至存在坍塌、冒顶风险。因此，隧道洞口段的设计与施工是保证整座隧道安全的关键因素之一。

当前，中国公路隧道修建多秉持“新奥法”理念，以监控量测为设计、施工的连接枢纽，及时反馈并调整支护设计体系、施工工艺参数，确保施工安全及后期的顺利运营。结合工程实例，国内外不少学者已论证了监控量测对施工安全控制的重要作用，验证了施工过程中及时施作监控量测的必要性。基于这一现状，本文依托老寨隧道实例，结合监控量测数据及现场踏勘结果，分析隧道洞口结构受力变形特征，探究洞口浅埋偏压段大变形的主要成因，并对其整治措施效果进行了跟踪评价，以期为同类工程的顺利修建提供一定的借鉴。

1 工程概况

1.1 隧址区地质条件

老寨隧道左线隧道起讫里程ZK38+425.00～ZK38+870.00，其中ZK38+725～ZK38+870段为隧道出口段，长145m，隧道埋深约0～46m，覆盖层较薄，厚1.0～3.Om，强风化层厚3.5～16.5m，洞身穿越强～弱风化变余砂岩。岩体节理裂隙极发育，岩体破碎～较破碎，呈松散碎裂结构，[BQ]=168，属V级围岩。现场勘测表明，隧道出口处存在偏压现象，横坡大于50°，侧覆土厚小于5m，且为发育最不利节理（338°∠25°）面，属于典型的浅埋偏压隧道洞口段。图l、2分别为ZK38+870断面工程地质横断面和左线隧道工程出口段的地质纵断面。

1.2 进洞预加固措施及开挖工法

为确保洞口浅埋偏压段施工安全，采取如下进洞措施：坡脚浅埋侧施作C20抗偏压挡土墙，抵抗由于偏压造成的不均衡水平推力，如图3所示；超前施作φl08mm、壁厚6mm大管棚，节长3m、6m，环向间距50 cm，如图4所示；边仰坡防护采用锚网喷，具体采用φ50×4注浆小导管，长度为6m，间距1.5m×1.5m；采用φ8钢筋网，间距为20cm×20cm；喷C20混凝土，厚度8cm。

隧道洞身开挖采用三台阶匕步法，隧道掘进过程中遵循“短进尺、弱爆破、勤支护、早封闭”的原则，以确保开挖面的稳定。

为确保施工安全，修建过程中严格执行既定的监控量测方案，重点监测地表变形、围岩压力、拱顶沉降、支护结构内力等项目，及时整理数据反馈，并分析结构受力的实时状态，以期及早发现潜在危险，并做出正确处治方案。

2 基于监测数据的结构受力变形特征分析

依监测数据及现场调查，选取洞口段两个典型断面进行分析，探究结构受力的变形规律，为大变形的成因分析及控制对策的选取提供理论依据。

2.1 围岩压力与结构内力的分布特征

2.1.1 初支背后压力

对隧道初支背后围岩压力进行统计分析，发现结构承受着明显的非对称压力：在浅埋侧回填反压及深埋侧主动压力作用下，衬砌结构产生向外侧的整体变形，浅埋侧拱腰至拱脚范围内被动压力值明显偏大；断面一处，左侧拱腰压力为0.22MPa，是右侧拱腰的2.4倍，偏压效果更甚于断面二处（左侧拱腰压力值为右侧拱腰的1.3倍），如图5所示。

2.1.2 初支钢拱架弯矩

依钢筋计监测数据，换算初支钢拱架弯矩，并绘制出最终状态分布图，如图6所示。

由图6可知，浅埋侧钢拱架弯矩值偏大于深埋侧，断面一处偏压效果更为明显，与围岩压力分布特征吻合。

2.1.3 二衬背后压力

对二衬背后压力监测数据进行统计分析，绘制出二衬压力分布图，如图7所示。分析表明，洞口段两边侧墙处二衬压力值明显较拱顶、拱腰位置偏大。需要注意的是，因断面一处钢拱架初期变形较大，处理时围岩压力得到一定释放，使深埋侧二衬边墙压力小于预期值。

上述分析表明，钢拱架主要承受了来自拱顶及拱腰部位的围岩压力，而二次衬砌分担了部分围岩两侧传来的围岩压力。因此，在现场施工时要注意钢拱架锁脚锚杆的施作，以提高钢拱架两侧承载能力的发挥。

3.2 拱顶沉降变化规律

整理断面一及断面二处的拱顶沉降监测数据，如图8所示。

隧道开挖施作初支后的沉降规律总结如下。

（l）整个洞口段拱顶沉降值都很大，最终沉降量均超过lOOmm，最大下沉量达到了500mm，致使隧道初支产生严重侵限。

（2）隧道开挖2周内，拱顶下沉速率最大，沉降量为17～35mm·d^-1。之后进入趋稳阶段。需要注意的是，下台阶开挖或施作二衬时会导致支护沉降出现一定程度的波动。

（3）5月30日开始的近一个月的持续降雨，使得ZK38+859、ZK38+850断面一开挖便产生了急剧增大的位移。特别是在6月26日全天大雨的情况下，监测发现，已开挖但未施作二衬的部分出现了拱顶下沉急剧增加的情况，并进行了临时支撑的紧急处治，监测的拱顶沉降量的情况表明，ZK38+859和ZK38+850断面在采取了临时支撑的措施后，拱顶的下沉量得到了非常有效的控制。endprint

2.3 结构表面变形特征分析

5月3l号和6月l号，隧道掌子面掘进至ZK38+840断面附近，隧道所在地出现了连续两天的大雨天气，观测发现了隧道护拱开裂、拱顶沉降显著以及边仰坡开裂等现象。边仰坡开裂变形如图9所示。

6月26日，前方掌子面施工至ZK38+850断面时，深埋侧ZK38+860附近拱间工字钢变形严重，在2h内向洞里突出0.6cm，拱顶附近及其他地方开裂较大，造成停工。调查表明，整个ZK38+862～ZK38+855.7断面的初期支护发生了严重变形，喷射混凝土崩裂掉块，反压挡墙下侧出现明显裂缝，整个型钢拱架向浅埋侧挤压变形明显，左右侧拱腰处变形最大达到了67cm，如图lO所示。

3 大变形成因分析

结合监控量测数据与地勘资料，将隧道出口段出现大变形，进而导致初支严重破坏的原因总结如下。

（l）围岩质量差。隧道洞口段地质为强风化的变余砂岩并夹杂粘土，岩体节理裂隙极发育，岩体松散碎裂，自稳能力差。

（2）浅埋偏压的影响。按围岩压力计算理论，未考虑预加固效果时，受地面坡度角的影响，两侧壁均布围岩压力差值极大，内侧围岩平均压力最高达外侧的7倍之多，对隧道构成了极为显著的偏压荷载。现场量测结果表明，深埋侧拱腰压力值平均为浅埋侧拱腰压力值的11.7倍，同样验证了这一特征。

（3）降雨的影响。5月31日开始了持续的降雨天气，隧道边仰坡出现裂缝，挡土墙下侧出现较大的裂缝，且洞内初喷混凝土出现剥落、掉块。此外，岩体风化和破碎程度高，大量雨水下渗弱化了岩土力学参数，增加了附加孔隙水压力，使得围岩质量进一步劣化，形成恶性循环，这是造成围岩大变形的另一主要原因。

4 大变形控制对策及其效果评价

根据上述分析和现场的实际情况，考虑到病害情况紧急，处理方案必须是临时强支护与长远稳定措施相结合，既要保证处理过程中的安全，又要满足结构永久安全的要求。最终采取了如下的处理措施。

（1）施作临时支撑。支撑就地取材，采用20b工字钢，排距为1m，均采用LlO×lOcm角钢进行纵横连接，连接件间距1m，底座采用槽钢支垫牢固，如图ll所示。要求支顶和落脚处必须紧贴，不应出现单点受力现象，以达到整体受力的效果。

（2）减载反压回填及排水。对仰坡进行刷坡减载，取土对隧道外侧反压，以平衡偏压荷载。施工中应及时采用钢筋网、注浆小导管和喷射混凝土对减载后的边坡进行防护，避免因减载反压引起深层次的滑动。做好地表排水的截水沟，并在坡体表面喷射混凝土，防止雨水下渗，如图12所示。

（3）换拱。上述措施落实到位并施工结束后，7月29日，洞身变形已处于相对稳定状态，边仰坡没有出现任何异常，拆去临时支撑，并对变形过大段的初期支护进行替换。

完成上述处理措施后，工程重新开工，并通过监控量测继续跟踪。替换后的钢拱架力最大值与替换前钢拱架同部位受力值相比，明显减小，且现场观测显示重喷的混凝土并未出现明显裂缝，验证了上述措施的可行性。详细统计结果见表l。

5 结语

基于监测数据与现场踏勘，综合分析了老寨隧道出口浅埋偏压段的大变形灾害特征及成因，并提出了行之有效的控制对策。主要结论如下。

（l）隧道穿越浅埋偏压地层且围岩松散破碎路段时，应加强监控量测工作的实施与反馈分析，通过分析结构受力变形特征，及早发现大变形、坍塌等潜在风险，为控制措施的合理选取提供指导意见。

（2）围岩松散破碎、浅埋偏压是老寨隧道洞口段产生大变形的根本原因，持续降水加剧了大变形的程度。

（3）监测分析表明，洞口段浅埋侧的结构内力与变形明显偏大，设计、施工时对远离山体一侧隧道的拱脚处要认真考虑施工方案。endprint