隧道施工中的变形监测与控制方法

孙瑞峰

（中铁十七局集团城市建设有限公司，贵阳 550000）

1 引言

在公路隧道施工过程中，岩土物理学性质、岩土介质以及与地下结构作用力较为复杂。施工作业会对岩体结构完整性造成损害，很容易引发变形、沉降等现象，但是，围岩地质情况和岩土条件不同、埋深程度不同以及采用的施工方法不同，导致的变形范围、程度等也会产生差异。为做好地层保护工作，必须加强变形监测，结合适当控制方法，减少变形程度。

2 工程概况

某高速公路隧道施工项目，属于分离式长隧道工程，左幅隧道长1 654 m，最大埋深约为206 m，右幅隧道长1 631 m，最大埋深约为205 m，进出口采用端墙式洞门。本次主要研究右幅隧道施工，隧道明洞段采用明挖法进行施工，暗洞段采用新奥法施工，集合二次衬砌浇筑和小净距隧道钻爆施工。隧道施工需要穿越Ⅴ、Ⅳ级围岩，工程地质和水文条件较为复杂，尤其进出口附近，岩体破碎，坡体开挖临空后，覆盖层易发生滑动现象，基岩容易产生滑移垮塌、掉块和碎落现象。隧道还会穿过盐酸岩等可溶性岩洞段，具有揭露隐伏岩溶的风险隐患，引发突泥、冒顶、涌水等危害[1]。在施工过程中，施工单位必须从实际条件出发，及时开展超前地质勘测，观察和检测地质、支护情况，为工程顺利开展提供翔实的数据信息支持。

3 隧道施工变形监测

本次施工中，主要针对地质及支护状况、地表沉降、周边位移、拱脚下沉等展开监测。以地表沉降为例，该隧道洞口浅埋段间隔10~15 m 布置一个断面，至少设置一个断面，每个断面隧道拱部测点间距为2~3 m，拱部两侧测点间距为3~4 m，主要用于监测洞口浅埋段地表变形量和判断隧道变形特征。监测点的布置应该与周围位移量测布设和洞内拱顶下沉布置处于同一断面，并测量水平位移和纵向位移[2]；倘若发现存在位移量过大、速度无稳定趋势、边仰坡开裂等情况时，提高监测频率。做好超前地质预报，该隧道地质较为复杂，在每次爆破后要对掌子面开展地质素描，初步判断前方岩层情况，随后用GRP 进行近距离探测，与之前判断相互印证补充；部分地段，采取GRP 结合TEM 进行监测，依据监测结果判断是否进行探空检测，详细记录出水点、流量、水温、出水状态等。另外，还需要根据实际施工情况，在每个代表地段选取1~3个断面进行锚杆拉拔试验，倘若Ⅴ、Ⅳ级围岩锚杆拉拔力超过80 kN、100 kN，说明施工质量满足要求；选用不同类型的位移计、应力计、压力盒等，对围岩压力、内部位移、初期支护和二次衬砌层压力等变化情况进行监测，以确定支护参数的合理性。

4 隧道施工变形控制方法

4.1 超前大管棚

超前大管棚具有提高围岩整体性、增加围岩稳定性，延缓变形速度，降低变形程度的作用，一般应用在隧道洞口、洞身浅埋段、偏压地段、断层破碎带等软弱破碎地层[3-4]。该工程主要在隧道洞口处设置超前大管棚，具体施工工序为管棚加工、套拱施工、钻孔清孔验孔、下管注浆、封孔。在管棚加工环节，管棚钢管选用φ108 mm×6 mm 热轧无缝钢管，环向间距40 cm，用φ102 mm×6m m 长30 cm 的热轧无缝钢管丝扣相连接，管棚分节长3 m。钢管接头错开，沿隧道纵向同一截断面内接头数不超过50%，相邻钢管结构至少错开1.0 m。管棚入土深度为16~40 m，外插角1°~3°，搭接长度超过5 m。在钻孔施工环节，为保障钻孔方向准确无误，预先在明洞衬砌外设置C25 混凝土导向墙（长×高=2 m×0.7 m），内嵌有4 榀I18 型钢架和φ127 mm×4 mm 导管钢管（见图1）。

图1 钢管固定图

在注浆环节，在钢管内插入塑料管直至孔底，外端与堵浆塞排气孔相连，作为排气通道，注浆管与堵浆塞进浆孔相连，注入浆液直至排气管有浆液溢出后停止注浆。浆液水灰比为1∶1，注浆压力中初压和终压分别为0.5~1.0 MPa、2.0 MPa。

4.2 超前小导管

超前小导管主要应用于道Ⅳ、Ⅴ级围岩地段，沿着隧道开挖线轮廓向外，将关闭带孔小导管打入地层，借助一定压力向管内压注浆液，达到预先加固隧洞周围岩体，堵住围岩裂隙水，提高土体固结度，增强土地摩擦力等作用，还有超前预支护作用[5]。超前小导管施工工序包括施工准备、测量定位、钻孔、插管、注浆及注浆效果检查、开挖。在本次开展的公路隧道施工中，通过实际调查发现，该段区域具有较差围岩结构，以某段Ⅴ级围岩为例，长度为45 m，顶板埋深为61.4~71.1m。隧道围岩为中风化灰岩及碳质泥岩，岩质较软，岩体较为破碎，呈层状～破裂状结构，Rc（单轴饱和抗压强度）、Kv（完整性指数）、BQ（基本质量指标）分别为15 MPa、0.35、232.5。该段围岩自稳性较差，炭质泥岩抗剪强度低，还存在隐伏岩溶发育可能，倘若支护不佳或支护不及时，很容易引发坍塌、大塌方，必须做好超前地质预报和超前支护，才能保障该段隧道施工安全顺利实施[6]。针对这一地质情况，决定采用超前小导管支护方法，进行超前支护。主要采用φ60 mm×4 mm 热轧无缝钢管及部分φ42 mm×4 mm 热轧无缝钢管进行施工，钢管环向间距控制在40 cm 左右，外插角为10°~12°，尾端在钢架外侧支撑，且每排小导管纵向至少需要搭接1.0 m（见图2）。在注浆阶段，选用普通硅酸盐水泥或水玻璃作为浆液，注浆初凝时间为1~2 min，注浆压力控制在0.5~1.0 MPa。在注浆之前，先喷射5~ 10cm 厚度的混凝土将掌子面封闭，形成止浆盘；按照由下到上的顺序将管内杂物清洗干净；注浆过程中，倘若持续注浆10 min，进浆速度下降为初始速度的20%，或者进浆量达到设计标准时停止注浆。

图2 超前小导管布置图

4.3 隧道二次衬砌

隧道衬砌通常采用“仰拱超前、拱墙整体衬砌”的施工原则，在初期支护完成后，为有效控制变形，仰拱要尽可能跟随开挖面施工，随后利用多功能作业平台人工铺设防水板，绑扎钢筋并利用液压整体式衬砌台车进行二次衬砌和一次性整体灌注施工[7]。二次衬砌施工工艺流程首先要根据监控测量确定二次衬砌，随后布设轨道、准备好台车、将顶模升起、侧模张开，调整好模板。然后完成输送管道、挡头板、止水带等的安装施工，涂好脱模剂，安装好预埋件，进行混凝土浇筑工作，最后进行拆模和养护作业。同时，隧道二次衬砌施工还需要严格遵守JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技术规范》及相关规程，参考GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》，利用混凝土运输车、输送泵、衬砌模板台车等开展机械化施工。在该隧道工程二次衬砌施工中，施工人员采用先仰拱后边墙、拱顶部分施工的顺序，选用钢筋混凝土进行施工，并在其与初期支护之间敷设议程厚度为1.5 mm 的厚EVA 防水板和无纺土工布（20 kN/m）作为防水层。同时，拟定二次衬砌支护参数，包括主筋、纵筋、箍筋等规格和间距，公布变强和仰拱等相关参数。

在确定好二次衬砌拟定支护参数后，开展防排水施工、钢筋施工、混凝土施工等工序。在钢筋施工时，钢筋的加工要在洞外统一完成后，再运输至现场，在台车上进行安全绑扎。施工人员需要根据测量控制点先进行外层环向定位钢筋绑扎，并用纵向筋连接固定，依次完成其他环向筋绑扎，直至外层绑扎完成（见图3）。随后，开展内层钢筋绑扎工作，用蹄筋将内外层钢筋连接，并用电弧焊点焊接，强化整体刚度。

图3 钢筋绑扎安装示意图

钢筋绑扎完成后，按照中线标高检查轮廓尺寸，在内层钢筋内挂设厚砂浆垫块（5 cm），确保灌注完成后钢筋有足够厚度的保护层。在进行混凝土施工时，要做好混凝土浇筑前的检查工作，采用分层浇筑方法，重视混凝土的振捣作业。振捣器移动间距控制在其作用半径1.5 倍范围内，插入下层混凝土内深度控制在5~10 cm 左右，确保上下层结合良好。二次衬砌时拱顶每组衬砌预留注浆孔不少于2 个，振捣时采用快插慢拔的方式，充分保障每个孔位振捣时间，当混凝土无下沉、水分、气泡等情况时，结束振捣。

5 结语

综上所述，公路隧道工程是我国交通事业发展的关键，针对隧道施工中普遍存在的施工变形、沉降等情况，必须准确了解变形情况，做好变形监测。在此基础上，结合岩土地质条件、施工条件等，选择适宜变形控制方法，通过超前大管棚、超前小导管、隧道二次衬砌等，提升岩土稳固性，确保施工安全、有序完成。