大断面黄土隧道浅埋段开挖监控量测及稳定性分析

胡小强

摘要：监控量测作为隧道施工的重要一环，对评价隧道开挖稳定性起关键作用。黄土地质成洞效应差，浅埋段开挖具有较高的施工安全风险，通过对兰州某隧道的监控量测，总结了浅埋大断面黄土隧道开挖过程中围岩变形的一般规律，得出未施作二衬段的初支有明显整体沉降现象，采用拱顶与拱脚的相对位移值来评价初支受力及稳定性更为合理。

关键词：黄土隧道；浅埋；监控量测；稳定性分析

中图分类号：U456.3文献标识码：A    文章编号：

0 前言

近年来，为了满足日益增大的交通量，部分高速公路规划为双向六车道，同时也出现较多的大断面隧道。大断面黄土隧道的设计和施工仍然遵循新奥法理念，虽然采用机械开挖对围岩扰动相对较小，但黄土围岩成拱效应差，围岩收敛变形大、持续时间长，初支要承受较大的围岩压力，大变形甚至坍塌事故多发，具有较高的施工安全风险[1]。相比石质隧道，大断面黄土隧道开挖过程中面临更复杂的稳定性问题。监控量测作为施工环节规避安全风险的重要手段，主要工作是为参建各方及时反馈围岩整体情况和初支变形数据，在监测数据显示可能出现大变形或坍塌险情时提前发出预警[2]。

1 工程概况

本文以甘肃省兰州市中通道高速大山隧道为研究对象，隧道左右幅长度合计1.83km，其中黄土地质段约0.5km，最大埋深约90m，浅埋段较长，均为V级围岩。洞口段地层主要为坡积黄土状土、上更新统风积马兰黄土，具有Ⅳ级（很严重）自重湿陷性。隧道为双向六车道，开挖面积达172m2，洞口浅埋段采用双侧壁导坑法施工。

2 监控量测方案

2.1 监控参数的选择

根据规范要求，监控量测包括必测参数和选测参数，选测参数宜根据不良地质类别选取代表性断面开展[3]。本文参考位移反分析法[4-5]，选取周边位移、拱顶下沉、拱脚下沉的监测数据来分析隧道稳定性。

2.2 监测断面选取

根据规范，不同围岩级别监测断面间距要求不同（见表1），其中Ⅴ级围岩周边位移和拱顶下沉每5~10m一个断面[3]，同时洞口段等不良地质地段应加密量测。大山隧道出口左洞ZK32+453~ZK32+508区段位于黄土梁卯边缘，坡度较缓，属于浅埋段，隧道洞身范围内为黄土，按规范取5m的断面间距进行监控量测。

表1 监测断面间距要求

围岩级别	监测断面间距（m）
Ⅴ～Ⅵ	5～10
Ⅳ	10～20
Ⅲ	20～50
I～II	50～100

2.3 监测频率

现场量测的频率主要根据变形速率（表2）以及测量断面施工时间间隔（表3）两个方面综合考虑，在三者间选择频率较高者进行，当现场出现异常情况或不良地质时，应根据实际情况增大量测频率[3]。量测断面的量测工作应持续到变形基本稳定后15～20d结束。采用徕卡TS09plus全站仪进行非接触式量测，可减少现场施工对测量的干扰。

表2按测点变形速率的量测频率

测点变形速率（mm/d）	量测频率
≥5	2～3次/d
1～5	1次/d
0.5～1	1次/2～3d
0.2～0.5	1次/3d

表3按测量断面施工时间间隔的量测频率

测量断面施工时间间隔	量测频率
1～15d	1～2次/d
16～1个月	1次/d
1～3个月	1～2次/周
大于3个月	1～3次/月

2.4测点布置

周边位移、拱顶下沉、拱脚下沉的监测测点宜布置在同一个断面，如图1所示，按开挖顺序进行测点布置。其中A、B、C为拱顶下沉测点；S1、S2为导坑上台阶拱脚下沉量测点，X1、X2为导坑下台阶拱脚下沉量测点；S1-S2为上台阶周边位移测线，X1-X2为下台阶周边位移测线，S1-a、S2-b、X1-c、X2-d为临时测线。

图1监控量测测点布置图

3 监控量测数据分析

3.1 周边位移数据整理

ZK32+445监测断面靠近隧道洞口，埋深约8m，洞身开挖揭露为坡脚风积黄土及马兰黄土，土体较松散，地质条件相对更差。对比各断面监测数据，ZK32+445监测各变形值累积最大，其周边位移量测数据如下：

图2  ZK32+445断面周边位移累积曲线

对图2的监测数据分析得出：①左导坑为先行导坑，左导坑临时测线S1-a周边位移累积值较小，至开挖第23日拆除临时支撑时周边位移累积值为8.9mm；右导坑后开挖，至拆除临时支撑时S2-b测线累积值为5.4mm。②上台阶测线S1-S2在临时支撑拆除前收敛值较小，在第23日拆除临时支撑后，收敛速率明显增大（最大收敛速率为1.4mm/d），最终累积值达26.3mm。③下台阶测线X1-X2周边位移累积值较小，最终累积值为8.3mm。

3.2 拱顶下沉数据整理

同样选取ZK32+445监测断面数据开展分析，其拱顶下沉量测数据如下：

图3  ZK32+445断面拱顶下沉累积曲线

对图3的监测数据分析得出：①在临时支撑未拆除前，各测点的拱顶下沉值相对较小，其中左导坑测点A累积沉降值为17.3mm。②在开挖第23d临时支撑拆除后，各测点下沉速率明显增大，其中核心土测点B下沉速率在第25d达到12.7mm/d，在稳定后测点B累积下沉值达83.8mm，同时左侧初支出现2条环向裂缝，沿隧道纵向有明显的不均匀沉降。

3.3 拱脚下沉变形整理

同样选取ZK32+445监测断面数据开展分析，其拱脚下沉量测数据如下：

图4  ZK32+445断面拱脚下沉累积曲线

对图4的监测数据分析得出：①在临时支撑未拆除前，各测点的下沉值相对较小，其中先行导坑测点S1累积沉降值为12.3mm。②在开挖第23d临时支撑拆除后，各测点下沉速率明显增大，其中先行导坑测点S1下沉速率在第25d达到6.1mm/d，在稳定后测点B累积下沉值达42.0mm。

3.4 隧道整体沉降及稳定性分析

浅埋黄土地质段属于软弱地层，从ZK32+445断面的拱脚下沉及拱顶下沉数据可以看出，开挖后初支受围岩压力作用发生了明显的整体下沉现象，拱顶下沉最大值为83.8mm，拱脚下沉最大值为42.0mm。整体下沉主要发生在临时支撑拆除后4~6d的时间段，在完成基底注浆加固前已发生明显的整体沉降。

从ZK32+445断面的各项监测数据可以看出，在临时支撑拆除后4~6d的时间段初支发生了较大的变形和整体沉降，同时左侧初支出现2条环向裂缝，后续随着仰拱施作封闭成环，变形速率逐渐降低。在拱顶下沉累计值达83.8mm的情况下，初支未出现大面积开裂、局部凸起、边墙初支脱空等现象，这是由于隧道发生了整体下沉。按最大沉降值计算，拱顶与拱脚最大相对位移值为41.8mm，按拱顶与拱脚相对位移值来评价初支的受力情况，初支实际承受压力更小。根据监测数据反推初支的受力情况，洞口段初支属于偏刚性结构，可将承受上部围岩压力传递给下方的软弱黄土层，软弱黄土层承压后与初支发生整体沉降，从而降低了初支承受的围岩压力。

4 结语

大断面黄土隧道浅埋段采用双侧壁导坑法开挖能够有效抑制初支变形，但在临时支撑拆除后4~6d的时间段初支有较大的变形和整体沉降，该阶段初支和围岩有一定的失稳坍塌风险。由于开挖过程中出现较明显的整体下沉，因此不能用单一的拱顶下沉、拱脚下沉指标来评价初支与围岩的稳定性，采用拱顶与拱脚的相对位移值来评价初支受力及稳定性更为合理。对与浅埋黄土地质及其它软弱地层而言，有借鉴意义。

参考文献：

[1] 周尚国.黄土隧道的主要地质灾害类型[J].地质与勘察，2007，43(2):103-107.

[2] 于维刚，胡鹏，宋浪.基于概率统计下白马隧道监控量测预警阈值研究[J].现代隧道技术，2019，56 (S2) :285-290.

[3] JTG/T 3660 -2020，公路隧道施工技术规范[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2020.

[4] 杨志法，刘竹华.位移反分析法在地下工程设计中的初步应用[J].地下工程，1981，27(02):20-24.

[5] 王芝银，杨志法，王思敬.岩石力学位移反演分析回顾及进展[J].力学进展，1998，28 (4) :488-498.