大断面软岩隧道施工变形监测与分析

牛帅斌

(山西路桥第六工程有限公司(辰润交通科技有限公司)，山西 晋中 030600)

0 引言

大断面公路隧道穿越软弱破碎的围岩地段，由于围岩自稳能力差，变形量大，容易产生变形失稳导致安全事故。大断面隧道开挖断面大，通常呈扁平状，更容易产生较大的变形。因此，在隧道开挖之前必须进行详细的地质勘测，并在施工过程中进行超前地质探测，对隧道支护结构进行合理设计，有效控制软岩变形，避免发生安全事故。在施工过程中，开展监控量测掌握围岩和支护结构的变形情况，进行动态施工管理，对支护结构的设计参数进行修正，保证隧道结构安全稳定。结合大断面软岩隧道施工案例，制定施工方案，并开展监控量测分析监测数据确定支护结构的合理性。

1 工程概况

某高速公路隧道为大断面软岩隧道，单洞设计采用三车道。隧道设计长度519 m，隧道围岩主要为Ⅴ级围岩，局部为Ⅳ级围岩。隧道洞口位于山坡坡脚位置，坡面与洞口基本垂直，没有出现偏压现象。洞口段埋深为25 m，属于浅埋段，开挖进洞前采用超前支护。隧道围岩为全风化页岩、泥质粉砂岩，裂隙纹理发育，自稳能力差。隧道所处区域年降雨量较小，降雨主要集中在夏季，隧道围岩内的含水量较少，主要为裂隙水，且水量较少。隧道左右洞相距27 m，地形地貌、地质条件差异不大。

2 大断面软岩隧道支护结构设计方案

为了保证隧道安全施工，在施工前对边仰坡进行防护，在洞口段进行超前长管棚施工，为进洞做好准备。隧道洞口段属于浅埋段，为了保证围岩稳定，采用30 m超前长管棚进行支护，管棚采用φ108钢花管，壁厚6 mm，环向间距为50 cm，倾角为1°，采用水泥—水玻璃双液注浆。隧道围岩破碎，稳定性差，设计采用钢拱架+锚杆钢筋网+喷射混凝土联合支护。

Ⅴ级围岩段初期支护结构设计：钢拱架选用Ⅰ20工字钢，布置间距为75 cm。双层钢筋网片，钢筋网片采用φ8盘条加工，网格尺寸200 mm×200 mm。锚杆选用φ25中空注浆锚杆，长度为350 cm，纵环间距80 cm×100 cm。超前支护采用超前小导管，选用φ42无缝钢管，长度450 cm，环向间距40 cm。喷射混凝土选用C25喷射混凝土，设计厚度26 cm。

Ⅳ围岩段初期支护结构设计：钢拱架选用Ⅰ18工字钢，布置间距为80 cm。单层钢筋网片，钢筋网片、锚杆、超前小导管选材和支护参数同Ⅴ级围岩段。喷射混凝土选用C25喷射混凝土，设计厚度24 cm。

为了检验隧道初期支护结构设计参数是否满足要求，施工过程中开展监控量测，进行动态施工管理，对支护参数进行修正设计，保证隧道结构的稳定性。

3 隧道支护结构监控量测分析

3.1 量测内容

为了准确掌握隧道围岩和支护结构的变形情况，在施工过程中布置测点开展监控量测工作，根据变形情况对设计参数进行修正。结合隧道变形和现场监测条件，本项目施工中只对必测项目进行量测，包括洞内外观察、周边位移、拱顶下沉和洞口地表沉降观测。施工过程中按照要求布置测点，并按照相应的监测频率开展监控量测工作。施工过程中如发现围岩或支护结构变形速度加快，应适当增加量测次数。

3.2 监控量测结果分析

3.2.1拱顶下沉量测结果分析

本项目隧道开挖主要采用三台阶法施工，按照规范要求分别在拱顶布置3个拱顶下沉量测点，采用精密水准仪和铟钢尺配合开展隧道拱顶下沉工作，选取有代表性的量测断面进行数据分析，3个测点量测数据变化曲线如图1所示，变化速率变化曲线如图2所示。

分析图1所示曲线，在监控量测前期拱顶下沉变化速度较快，沉降量较大，占总沉降量的70%左右。在监测15 d后拱顶下沉变形速度下降，20 d后变形量明显下降，虽然还有少量沉降，但总体已趋于稳定。测点3的变形量最大，但最终沉降量不超过20 mm，没有产生侵入隧道净空的情况。另外，分析变形曲线，没有出现较大突变等异常现象，拱顶下沉变形情况平稳，这也说明隧道支护结构满足设计要求，可有效控制围岩变形。

分析图2曲线变化情况可知，在拱顶下沉监测初期隧道变形速率超过1 mm/d，说明围岩变形速度快，进一步发展容易出现变形失稳，应加强监测。15 d以后隧道监控量测变形速率明显下降，日平均变形速率在0.2 mm/d～1 mm/d，说明变形速率明显下降，并逐步趋于平稳。20 d以后拱顶下沉变形速率明显下降，并逐步趋于稳定，最后7 d变形速率低于0.1 mm/d，说明隧道围岩和支护结构已基本稳定。

3.2.2周边位移量测结果分析

隧道开挖采用三台阶法施工，本项目周边位移监测布置两条测线，其中上台阶开挖完成后布设第一条测线，下台阶开挖后布置第二条测线。由于第二条测线布置时间较第一条测线迟，量测数据较少。监测断面周边位移变化曲线如图3所示，变化速率变化曲线如图4所示。

分析图3监测断面周边位移曲线变化情况，曲线变化趋势正常，没有出现变形异常的现象。其中测线一在监测前13 d周边位移变形量较大，约占总变形量的70%，其中在13 d后周边位移变形出现小幅度波动，这是由于下台阶开挖扰动造成的。后期变形逐步平稳，慢慢趋于稳定。测线二的周边位移变形明显小于测线一，与测线一类似，变形情况也是前期变形量较大，后期逐步趋于平稳。

分析图4监测断面周边位移变化速率前，测线一在监测前14 d围岩日平均位移速率超过1 mm/d，说明该阶段围岩变形剧烈，应加强监测。14 d后变形速率迅速下降，日平均位移速率在0.2 mm/d～1 mm/d；20 d以后基本趋于稳定，日平均位移速率低于0.2 mm/d，说明上台阶围岩和支护结构变形稳定。测线二由于开挖支护时间滞后，监测时间较短，从现有的监测数据分析，前期变化速率较大，而后期变形速率较高，变形基本趋于稳定，说明下台阶周边位移变形基本趋于稳定。综上所述，隧道监测断面周边位移没有出现较大突变，且最终变形趋于稳定，说明支护结构可以保证隧道安全稳定。

4 结语

大断面软岩隧道围岩变形大、稳定性差，必须做好支护结构的设计与施工。通过分析大断面软岩隧道施工案例的施工方案，制定量测方案，对量测数据进行分析处理，得出以下结论：1)隧道拱顶下沉监测结果表明：在监测前期拱顶下沉变形量较大，变形速率较快，而后期变化逐步趋于平稳，没有出现较大突变等异常现象，说明围岩和支护结构变形已趋于稳定，支护结构设计合理；2)隧道周边位移监测结果表明：监测断面周边位移变化曲线也呈现前期位移变化大，变化速率快，但出现了小幅度波动，这是由于下台阶开挖扰动造成的，两条测线变形最终均趋于平稳，说明支护参数设计符合规范要求，可以保证隧道结构稳定。