浅埋暗挖隧道施工期间变形监测技术研究

李本松，王俊松

(四川沿江宜金高速公路有限公司，四川 成都 610041)

在浅埋暗挖隧道施工过程中，开挖作业会对隧道原有的应力平衡状态造成干扰，致使应力在隧道内部重新分布，产生新的应力场，与此同时，隧道周边围岩土体力学性能随应力场的变化而变化。在开挖施工过程中，若开挖方式选取不当、技术参数把控不佳、开挖顺序不适宜，则可能造成隧道围岩土层变形情况，不仅影响浅埋暗挖隧道施工质量、施工进度，还可能引发安全风险。

1 变形监测技术在浅埋暗挖隧道施工期间的应用价值

通常来讲，在进行浅埋暗挖隧道的施工过程中，由于施工环境和其他相关因素的影响，会在一定程度上存在明显的安全隐患，不仅容易对施工现场的具体施工进度造成阻碍和干扰，同时还会威胁施工人员及设备的安全与稳定。而且，在浅埋暗挖隧道施工中，做好现场数据的监控与测量，是每天都需要进行的重要内容，能够快速掌握精准的数据信息与施工资料，通过对收集到的资料进行有机整合，为隧道的挖掘施工提供更加可靠且准确的检测服务数据，可以提前规避和预防各种可能出现或发生的施工状况。另外，通过应用变形监测技术，可以在浅埋暗挖隧道施工时，对其现场的有序进行提供实时数据监测与远程配合指导，将所获得的数据信息反馈于施工现场，尽可能减少因突发事件而产生的威胁和阻碍，尽可能降低成本的支出与开销，为施工团队争取到更多的时间，为浅埋暗挖隧道的施工给予可靠的安全保障。

除此之外，通过使用各种现代化仪器设备和信息技术，为隧道的施工提供技术支持与指导，能够结合获取和收集的数据信息，完成对隧道支护结构的稳定性与安全性，以及对周边环境所造成影响的综合评估与判断，帮助施工团队提前做好突发事件的预防措施，确保施工具有更高的安全性与可靠性。另外，将收集到的监测数据及时做好整理与分析，使管理人员可以对照数据结果，来分析具体施工现场与理想化施工目标的契合程度，从而为其决策的科学性与合理性提供理论支持与保障。通过应用变形监测技术，可以及时做好预警和防范处理，提高隧道施工安全性，为施工人员的生命安全给予高度保障。

2 浅埋暗挖隧道施工期间的地层变形机理

2.1 地层条件的影响

浅埋暗挖隧道施工区域在开挖过程中，其地层岩土体结构对于地层变形起到绝对的影响。如果施工区域的地层能够形成自然的塌落拱结构，将会极大地提高施工区域地层的承载能力，减轻支护结构的应力对于地层的影响，避免地表沉降。

但是，目前我国浅埋暗挖隧道施工区域的岩土体较为软弱，且施工区域的岩土性质较为复杂，相应的物性指标较差，因此，在进行浅埋暗挖隧道施工时，要对施工区域进行实地勘测，从而检验岩土体物性指标确定其是否能够形成塌落拱结构，如果不能需要借助辅助措施，助力塌落拱结构的形成[1]。

2.2 技术方法的影响

合理的浅埋暗挖隧道施工技术方法对于地层稳定起到绝对的影响作用。现阶段，该施工技术常见的方法主要有全断面、中隔壁、交叉中隔壁、单侧壁导坑法等。在进行方法选择时，相应的施工单位要根据施工区域的实际情况，利用数字化技术对施工现场进行勘测，了解施工区域的水文、地表、地质等相关参数，进行施工方法的选择。

从经济效益角度出发，全断面法的施工效果最好，依次是中隔壁、交叉中隔壁、单侧壁导坑法。但是，如果从施工安全角度考虑，那么相应的选择顺序与之完全相反。所以，施工团队要根据实际需求，进行合理化的方法选择。

2.3 隧道埋深的影响

在进行浅埋暗挖隧道施工时，其隧道埋深指标为覆跨比。覆跨比主要是将隧道上方土体覆盖厚度比上隧道跨越值，所得比值就是覆跨比。如果覆跨比大于1且小于2时，那么说明隧道埋深对于地层影响较小。若覆跨比在1以下，那么则需要立刻采取相应的加固处理技术，减轻浅埋暗挖隧道施工对地层产生的冲击。

因此，在进行隧道埋深处理时，相应的技术人员要时刻关注覆跨比值，将地表沉降情况控制在可控区间。如果其覆跨比过小，将会加大工程建设成本，从而降低该工程的经济效益[2]。

2.4 地下水的影响

现阶段，进行浅埋暗挖隧道施工，其施工区域岩土体的地下水含量较为丰富，在施工前期需要进行地下水降排水处理。城市岩土体地下水含量与其强度成正比，如果地下水进行降排处理，将会使得岩土体强度减弱，从而破坏岩土体结构稳定性，增大围岩的有效应力，使得岩土体空隙中水压下降。在有动水压力的作用下，将会使得围岩区域出现凹陷，引发地层变形。

研究表明，地下水下降规律与地层变形规律大体一致。在浅埋暗挖隧道施工降排地下水的时候，会造成岩土体应力受损，从而使得地层沉降。因此，在浅埋暗挖隧道施工时，必须采用一定的措施，保证地层稳定，减轻地下水降排对地层变形的影响。

3 基于浅埋暗挖隧道施工实例的变形监测技术应用分析

3.1 工程概况

为了推动当地现代化建设，增强该次浅埋暗挖隧道施工变形监测技术研究的针对性，本次选取某真实案例为依据展开具体分析。本案例工程项目需要对某地区增设一条长达80m，宽约42m的浅埋暗挖联络隧道，其本身长链0.499m，短链3.250m，区间的右线长度控制在723.529m，左线长度则保持在721.633m，为了确保施工安全，需要在其内部设置区间人防结构和联络通道，使其能够有效实现信息的高效传达。由于该地区总体地势相对较为平坦，总体海拔保持在150m左右，虽然总体施工地势略有起伏，并且呈现从南向北的倾斜状态，但是相对高差总体较小，为隧道施工创设良好的前提条件。另外，由于本身地理环境的特点，其常年气候变化相对较为明显，温度最高能达到近40℃，最低则是能降到-42℃，最大的冻土深度大约在2.3m，所以在准备进行隧道挖掘之前，需要选定具体的施工季节，尽可能降低环境因素对施工的干扰和阻碍。而且由于该地区总体岩层分布较为均匀，施工管理人员要通过数据监测的方式，获取施工区域的实地考察数据信息，并通过有效整合，对施工路线进行优化与完善，确保隧道挖掘施工能够在规定时间内，顺利交付。

3.2 不良地质

对浅埋暗挖隧道施工案例地质条件深入剖析，为后续变形监测技术的有效运用奠定基础，结合实际情况来看，案例工程存在不良地质，经调查后发现不良地质主要表现为季节性冻土、人工填土，并未出现有害气体、地面沉降、裂缝、滑坡等问题。具体分析来看，对案例隧道区域的冻胀性地质进行总结，在隧道施工标段内，标准冻结深度与最大冻结深度分别为1.90m、2.05m，对冻结深度范围内的土壤地质构成进行总结，发现表现为粉质黏土及杂填土，其中杂填土以黏性土为主[3]。由此可见，案例浅埋暗挖隧道施工工程的变形隐患受到地层条件的影响，不良地质加大了地层变形问题的发生。对案例浅埋暗挖隧道施工工程的地基土质性质进行总结，如表1所示。

表1 案例浅埋暗挖隧道施工工程的地基土质性质

3.3 监测内容

3.3.1 监测项目

在案例浅埋暗挖隧道施工工程项目中，将监测内容划分为两部分，即选测与必测，其中选测是对施工区域的环境因素、地质条件、结构特点的针对性监测，主要用于真实反映与呈现隧道受力状况及结构形变状况；而必测则是对关键指标的监测，主要用于监测关键项目，该类监测作业能够最为直观地表现出工程项目受力状况及结构形变情况。

对浅埋暗挖隧道施工工程项目中常见的隧道施工监测项目进行总结，如表2所示，其中因案例浅埋暗挖隧道施工工程地下水对隧道变形的影响较小，在运用变形监测技术过程中，主要针对初期支护拱顶下沉、初期支护净空收敛、地表沉降进行施工监测，将上述三个项目内容(支护拱顶下沉、支护净空收敛、地表沉降)作为必测内容，地下水作为选测内容，对案例浅埋暗挖隧道施工工程项目勘察调查后，发现地下水对隧道变形的作用程度较小，故最终将选测内容剔除监测项目，主要对支护拱顶下沉、支护净空收敛、地表沉降三项指标进行科学监测。

表2 浅埋暗挖隧道施工工程项目中常见的隧道施工监测项目

3.3.2 初期支护拱顶下沉监测

在浅埋暗挖隧道工程项目中，初期支护拱顶下沉可引发隧道地表沉降问题，一旦隧道地表发生沉降，则会对隧道周边的构筑物及建筑物产生威胁，影响其安全性。此外，浅埋暗挖隧道施工期间通过对拱顶下沉数据的动态化监测，能够帮助施工人员精准把握隧道围岩支护状况以及围岩稳定性，能够有效保障隧道施工安全性，提升施工质量。因此，在案例浅埋暗挖隧道工程施工期间，根据隧道施工实际情况而科学设计变形监测技术体系的，对初期支护拱顶下沉进行变形监测时，需于隧道掌子面区域设置拱顶下沉监测点位，要求开挖面控制在2m之内，根据隧道具体状况，以10～15m(具体数值视隧道具体状况而定)设置监测断面，拱顶下沉监测点位布置情况具体可见图1。

图1 拱顶下沉监测点位

对初期支护拱顶下沉进行变形监测期间，提前准备预埋件，按照图1所示点位，将其预埋至隧道拱顶结构内，由浅埋暗挖隧道基准点逐步测量内部基准点高程，随后基于隧道内部基准点，对施工期间的预埋件高程加以测量，记录高程数据，重复三次，计算平均值之后，将其作为该次变形监测的初期支护拱顶下沉监测数据[4]。待下一次完成预埋件高程测量后，将其与上一次监测数据进行对比，数据差异则为隧道在施工过程中的拱顶下沉程度。在案例浅埋暗挖隧道工程中，不仅应用数据曲线的方式呈现初期支护拱顶下沉变形监测结果，还引入仿真模拟技术，构建变形监测模型，用于动态化演示初期支护拱顶下沉的动态结果，以此帮助作业施工人员精准把握变形状况，一旦出现异常状况则可及时发现并处理。

3.3.3 初期支护净空收敛监测

在浅埋暗挖法隧道施工工程项目中，净空收敛属于变形监测中的必测项目，且是案例浅埋暗挖法隧道施工中的关键监测内容，对于施工作业而言，净空收敛监测结果可直接呈现出隧道支护结构与围岩结构之间存在的受力状态，帮助施工作业人员了解隧道结构整体状况，对初期支护净空收敛完成动态测量后，则可基于该数据判断得出隧道稳定性程度，为后续浅埋暗挖法隧道施工作业的实施提供指导。在具体变形监测过程中，需将净空收敛点位布置于拱顶下沉监测点位的同一断面内，通常情况下，多将初期支护的净空收敛监测点位布置于距离开挖面的2m之内，若变形监测点的布置受核心土长度影响，则可将其变形监测点位设置至断部位置。隧道开工后的12h之内，需完成初期支护净空收敛监测数据[5]。对净空收敛点位进行布置时，可于拱腰区域进行钻孔，借助膨胀螺丝收紧，而净空收敛监测点位则位于喷射混凝土的外部，此外，从布置角度来看，可于浅埋暗挖隧道左右两侧设置净空收敛变形监测点位，具体设置情况条具体可见图2。

实施初期支护净空收敛变形测量过程中，需将膨胀螺栓提前埋设，并对膨胀螺栓布置间距进行测量，为防止误差影响测量结果，应至少测量三次，计算平均值，得出初期支护净空收敛数据。按照监测频率标准实施变形监测，将浅埋暗挖隧道施工期间的初期支护净空收敛数据与最初数据进行对比，以此则可得出浅埋暗挖隧道在施工过程中存在的净空收敛变形情况。

3.3.4 地表沉降监测

在浅埋暗挖隧道施工过程中，开挖期间不可避免地会出现扰动，对隧道周边岩土造成影响，与此同时，由开挖施工所产生的扰动则会通过应力而传递至隧道地表，继而改变隧道围岩土体的力学状况，因此，从这一角度来看，可通过分析测算围岩土体在浅埋暗挖隧道施工过程中的力学状态变化情况而了解隧道地表沉降情况，而地表沉降则在一定程度上能够表现出施工期间的隧道变形程度。对于位于城市区域的隧道结构，若隧道施工期间出现地表沉降问题，随便周边构筑物、建筑物则会遭受影响，因此，浅埋暗挖隧道施工期间必须严格监测地表沉降情况，用于保障建筑物安全，确保浅埋暗挖隧道施工效果。在案例浅埋暗挖隧道施工工程项目中，基于隧道技术方案布置监测点，以2～5m为间距横向布置监测点位，而纵向则以5m为间隔布置地表沉降监测点位。

3.4 数据分析

变形监测过程中，受到工具仪器、人员操作等因素的干扰，浅埋暗挖隧道施工期间的变形监测可能出现误差，因此，完成变形监测并记录监测数据后，还需对变形监测数据进行处理分析，用于提升变形监测结果的精准性，并科学判断数据可靠性，分析误差程度，若发现误差超出允许标准，则需选择适宜方式对误差数据加以修正。完成浅埋暗挖隧道施工期间的变形监测之后，及时提交测量所得数据，确保施工团队可充分把握浅埋暗挖隧道支护结构及围岩结构的变形状况，继而为后续隧道开挖施工提供指导，全方位掌握浅埋暗挖隧道具体情况，继而降低施工盲目性。

在案例浅埋暗挖隧道施工工程项目中，拱顶下沉、净空收敛、地表沉降的标准变形累计值分别为15mm、10mm、30mm，三者的标准变化速率分别为3mm/d、2mm/d、3mm/d。若发现累计变形量、变化速率超过标准值70%，则属于黄色预警，需提高变形监测频率，细致观察具体情况；若超出标准值的85%，则属于橙色预警，此时应加强支护，优化支护结构；若变化速率剧增，累计变化量超出标准，则属于红色预警，需暂停施工进行处理。案例浅埋暗挖隧道施工工程的拱顶下沉变化速率达到标准值的73%，提高监测频率进行观察，发现拱顶下沉变化速率后续逐渐降低，达到标准水平，变形风险较低。

4 结语

在浅埋暗挖隧道施工过程中，变形监测技术具有较高应用价值，有助于施工人员把控技术细节，及时发现并应对可能存在的突发状况，因此，为避免底层变形而影响施工作业，杜绝安全隐患，应在浅埋暗挖隧道施工过程中做好变形监测。在浅埋暗挖隧道施工案例中，经变形监测后发现存在黄色预警，部分结构存在超出标准值70%的情况，但超出程度较小，适当提高监测频率，随后发现异常数据逐渐归于正常，并无变形问题出现。