铁路隧道施工变形监测数据统计分析

田孟磊

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611700）

1 工程概况

某铁路线路长1 840 km，沿线正线隧道228座，总长约460 km，局部地质条件特殊，部分隧道的施工风险较大，其中Ⅰ级风险隧道7座，Ⅱ级风险隧道15座。隧道断面含单、双线正洞，单、双车道辅助坑道，施工引入的是业内较为主流的全断面、两台阶、三台阶等方法。

在铁路隧道变形控制工作中，以隧道跨度换算，分多种情况进行针对性分析。一般地段Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩双线浅埋隧道拱顶沉降最大分别为6、10、16 mm。双线黄土隧道施工中，拱顶沉降则以围岩等级为主要依据加以控制，其中Ⅳ、Ⅴ级围岩分别对应为90～155、135～190 mm。Ⅲ、Ⅳ级围岩深埋隧道变形控制值较小，Ⅴ级围岩相对较大。

鉴于黄土隧道施工现场地质条件具有差异化的特点，应从实际情况出发，结合工程规范，确定合适的控制基准。在施工中加强监测，汇总数据并展开统计与分析，以确定切实可行的控制值和预留变形量，按照此模式有序推进工程建设进程。

2 黄土地质条件下的双线隧道变形统计分析

以沿线55座双线黄土隧道的监测数据为准，展开对比分析，确定拱顶下沉和周边收敛量，监测对象涵盖黏质和砂质黄土，围岩等级含Ⅳ级、Ⅴ级两类，埋深超250 m，以台阶法为主要施工方法。

2.1 Ⅳ级围岩黄土隧道随埋深变形的统计分析

（1）变形最大值随埋深变化的规律。

Ⅳ级围岩地质条件下的隧道变形最大值与埋深的关系：①该地质的黄土隧道埋深集中在25～150 m，隧道虽有变形但幅度较小，拱顶下沉最大87 mm，绝大部分在50 mm内；②周边收敛最大44.06 mm，绝大部分在40 mm内。随着埋深的变化，拱顶下沉和周边收敛无明显的规律性变化。

（2）变形速率最大值随埋深变化的规律。

Ⅳ级围岩地质条件下的隧道变形速率最大值与埋深的关系：①拱顶下沉、周边收敛两部分的变形速率的高密度分布区间分别为10、5 mm/d以内；②部分断面拱顶的下沉速度达到5 mm/d以上（占比27.99%），所处位置以2（H+B）以上埋深的隧道为主。

（3）时态曲线分析。

以郑庄隧道DK374+811断面为例，该部分隧道的拱顶下沉和周边收敛情况，其整个变化可分为两个时段：①仰拱封闭前，拱顶下沉和周边收敛均以较大的速率发生变化；②仰拱封闭后，此阶段变形速率逐步减小，较之于拱顶下沉值，周边收敛相对更小。

2.2 Ⅴ级围岩黄土隧道随埋深变形的统计分析

（1）变形最大值随埋深分布的规律。

Ⅴ级围岩地质条件下的隧道变形速率最大值与埋深的关系：①黄土地质普遍集中在200 m埋深内；②拱顶下沉最大值达到148.2 mm，普遍在60 mm内；③周边收敛最大值达到119.2 mm，普遍在40 mm内；④较之于周边收敛值而言，拱顶下沉相对更大，在埋深小于2（H+B）的隧道中有较为明显的拱顶下沉现象（下沉量达到75 mm以上）。

开挖期间的扰动性较强，浅埋黄土隧道拱顶有较明显的下沉现象。对此，在浅埋隧道施工中，需要加强对周边位移的控制。从周边收敛值的角度来看，达到70 mm以上的断面主要集中位置为埋深超5（H+B）的隧道，该部分断面的含水量较高，普遍达到16%以上，在水体条件的影响下，伴有较大幅度的变形问题。对于该地质条件，施工单位予以高度的重视，合理应用施工技术，有效控制拱顶下沉和水平收敛，黄土隧道的变形得到较好控制。

（2）变形速率最大值随埋深分布的规律。

Ⅳ级围岩地质条件下的隧道变形速率最大值与埋深的关系：①拱顶下沉速率的高密度分布区间为10 mm/d以内，周边收敛速率的高密度分布区间为5 mm/d以内；②局部拱顶下沉变形速率达到10 mm/d以上，重点分布在埋深小于2（H+B）和超过5（H+B）的隧道，前者与埋深较浅有关，后者与含水量较高有关；③部分周边收敛变形速率达到10 mm/d以上，所处位置以埋深大于2（H+B）的隧道为主，所在地的基本特点在于含水量较高。

其与周边收敛最大值的分布规律相同。

（3）时态曲线分析。

以郭旗隧道DK266+240断面为例，该部分隧道的拱顶下沉和周边收敛情况的整个变化可分为两个时段：①上、中台阶开挖期间，此过程中的下沉速率相对较大；②下台阶开挖工作落实到位且实现仰拱封闭后，下沉量有减小的变化趋势，并逐步达到稳定的状态。沉降过程中，封闭前的沉降占比达到95%以上，在此方面与Ⅳ级围岩黄土隧道相同[1]。

2.3 V级围岩黄土隧道随含水量变形统计分析

（1）含水量＜8%时，拱顶下沉的最大值及速率分别为72.6 mm、13 mm/d，周边收敛的最大值和变形速率分别为36.05 mm、5.48 mm/d。

（2）含水量为8%～16%时，拱顶下沉的最大值及速率分别为123.6 mm、29.3 mm/d，周边收敛的最大值和变形速率分别为119.5 mm、29.8 mm/d。

（3）含水量＞16%时，拱顶下沉的最大值及速率分别为148.2 mm、21.4 mm/d，周边收敛的最大值和变形速率分别为110.86 mm、29.8 mm/d。

在含水量增加的条件下，隧道有较大幅度的变形；但该增长并非具有持续性，主要受到含水量的影响，待含水量超过16%时，变形虽有增大但幅度甚微，原因在于含水量超过16%时，及时根据现场情况采取了帷幕注浆、地表水泥土搅拌桩等相关处理措施，达到提前加固围岩的效果，能够较好地规避大幅度变形的问题，有效保证了隧道岩土体及隧道主体结构的稳定性。

变形最大值按含水量统计，如表1所示。

表1 Ⅴ级围岩双线黄土隧道变形最大值按含水量统计所占比例

3 黄土地质条件下的双线隧道预留变形量分析

对于同一断面，普遍存在拱顶下沉超过周边收敛的情况。隧道支护与黄土地层间存在相对复杂的作用关系，同时初期支护结构易在多重因素的影响下出现变形现象，从实测数据可以发现，其数据有较为明显的离散特性。

现场环境复杂、干扰因素多，为有效保证现场安全，采用一定保证率条件下的范围值，即预留变形量对应保证率需达到95%以上。经技术分析后，认为保证率为96%较为合适，可以将其作为实测预留变形量[2]。

3.1 Ⅳ级围岩隧道预留变形量的分析

在Ⅳ级围岩地质、保证率为96%的条件下，拱顶下沉量为47 mm。在监测全流程中，初期便发现围岩有一定变形，在确定该部分变形值后，将其增加至变形量测值上，由此可以确定围岩的实际变形值。

围岩的真实变形（u）计算：

式中：u测——变形量测值（mm）；λ——变形系数，取0.265～0.33。

结合λ的具体取值，可以确定围岩的真实变形范围，即64～70 mm。将所得结果与原设计的Ⅳ级围岩设计预留变形（50～80 mm）展开对比分析，可以发现两者较为接近，也小于规定值，即小于90～155 mm。为进一步保证安全，还考虑到数据离散以及施工偶然误差，将设计预留变形量取值确定为70～90 mm。

3.2 Ⅴ级围岩隧道预留变形量

在Ⅴ级围岩地质、保证率为96%的条件下，拱顶下沉量为60 mm。根据式（1）为依据，结合λ的具体取值，可以确定围岩的真实变形范围，即82～90 mm。将所得结果与原设计的Ⅴ级围岩设计预留变形（80～120 mm）展开对比分析，可以发现两者较为接近，同时也小于规定值，即小于135～190 mm。为进一步保证安全，还考虑到数据离散以及施工偶然误差，将设计预留变形量取值确定为120～150 mm。

4 结语

综上所述，文章以双线黄土隧道和双线一般隧道为基本对象，重点从拱顶下沉和周边收敛变形两个角度展开对比分析。结合监测数据所揭示的信息，建议在双线黄土隧道施工中，Ⅳ级围岩条件下的变形预留量取70～90 mm，Ⅴ级围岩条件下取120～150 mm，以保证隧道施工的安全性。