艾同 祝李京

公路隧道在洞口或者淺埋段開挖時，洞頂圍巖風化嚴重，且覆蓋土層較薄，隧道在開挖過程中土層受到爆破震動或者降雨影響，導致土層松散，破壞原有的土體力學平衡，從而引發(fā)隧道塌方冒頂事故，造成人員及財產(chǎn)損失，影響施工進度。地表監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠有效地反應隧道上方巖土層沉降變化，對下一步的施工提供科學依據(jù)，有效控制爆破藥量，避免施工安全事故的發(fā)生，節(jié)省施工工期。

一、背景資料

1.工程概況

湖北省麻城至竹溪高速公路大悟境段某隧道地處大悟縣芳畈鎮(zhèn)滾河村境內(nèi)。隧道為上、下行分離的四車道高速公路隧道，隧道左線起訖樁號為ZK73+240.00～ZK74+160.00，隧道右線起訖樁號為ZK73+244.50～ZK74+164.60，中線最大埋深114m，隧道建筑限界寬度為10.75m，隧道建筑限界高度5.0m，設計速度100km/h。隧道區(qū)處在構(gòu)造剝蝕丘陵低山區(qū)，山體(脈)呈近南北向展布，延綿數(shù)十公里，呈波起伏景觀，坡度20～50°，植被生長茂密。隧道區(qū)內(nèi)底層巖性主要出露第四系沖洪積(Q4al +pl) 粉質(zhì)粘土，中元古界一紅安群CPt2H，七角山組CPtq，白云鉀主片麻巖，夾綠泥鉀片巖和變質(zhì)輝綠巖。

隧道右幅在洞口開挖時發(fā)生小規(guī)模少量的塌方冒頂，地表監(jiān)測變形量較大，同時地表出現(xiàn)了小空洞和裂縫。

2.原因分析

（1）不良地質(zhì)情況：隧道右幅掌子面巖性為強風化白云鈉長片麻巖，層間粘結(jié)力差，巖質(zhì)軟，巖體極破碎，裂隙極發(fā)育，并夾雜有泥土，拱頂部分主要為松散土，左側(cè)伴有滲水。隧道洞口處坡度較大，埋深淺，容易引起塌方。

（2）施工方法：在洞口開挖時，中間預留核心土未能滿足要求，爆破藥量及爆破尺寸未能掌控好，破壞原有圍巖之間的力學平衡，從而導致管棚在連接圍巖時發(fā)生塌方冒頂。

二、地表沉降點布設

按照設計文件要求，地表下沉量測點集中設在隧道洞口和淺埋段，選定的量測斷面區(qū)域內(nèi)，橫向布置間距范圍為2～5m，左右幅洞口地表均埋設兩排（因場地限制前后兩排間距為1m），每排7個點，共計28個點，隧道中線附近密些，遠離隧道中線處疏些。在測點位置挖長、寬、深均為200mm的坑，然后放入地表測點預埋件（自制），埋入深度約為0.5m，測點四周用砼填實，為滿足精度要求，且不影響施工進度，待砼固結(jié)后即可量測，在預埋件頂端安放全站儀棱鏡，使用分辨率為0.1mm的精密全站儀進行觀測。

三、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

按照規(guī)范及設計要求，根據(jù)現(xiàn)場實際情況在邊坡穩(wěn)固后，在邊坡上方地表埋設監(jiān)測點并采取初始值，進行觀測，直到數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定。

圖1 右線地表第一排監(jiān)測點沉降速率

圖2 右線地表第二排監(jiān)測點沉降速率

圖3 右線地表第一排監(jiān)測點累計沉降

圖4 右線地表第二排監(jiān)測點累計沉降

圖5 右線地表沉降點累計沉降

1.通過圖1和圖2可以得知每個監(jiān)測點在時間段內(nèi)的波動，從而反應施工過程中圍巖動態(tài)的實際信息，在動態(tài)圖中可以直白地反應每個測點在施工過程中的變化，判定圍巖及初期支護的穩(wěn)定性，分析支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，為設計和施工提供依據(jù)。對存在異樣變化的測點進行復核，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，找出影響圍巖異樣動態(tài)的因素，指導下一步施工。

2.通過圖1、圖2、圖3、圖4可以得知每個測點的累計變化，從而得知圍巖的變化趨勢，隨著掌子面的掘進，在洞口73326～73328段發(fā)生塌方冒頂，所有測點在此刻沉降量驟然增大。在項目部立即采取相應措施后，圍巖穩(wěn)定性得到有效控制，沉降速率變小，直至73356斷面，沉降速率逐漸趨于穩(wěn)定。

3.通過圖5了解斷面每個點的變化趨勢和關(guān)系，隨著時間的推移，掌子面的推進，橫斷面測點沉降量呈漏斗狀，隧道中心軸位置YDB1-4和YDB2-4沉降值最大，離中心軸越遠沉降越小。對每排測點之間的距離和沉降量的關(guān)系進行擬合曲線分析，得到以下擬合函數(shù)公式：

第一排測點：y=1.2794X2-10.533X-6.9343、R2=0.9645；（1）

第二排測點：y=1.3587X2-11.496X-4.1114、R2=0.9808；（2）

式中：X為測點距隧道中線的距離，向左為負，向右為正，y為測點的最終沉降。R2為監(jiān)測數(shù)據(jù)與擬合函數(shù)直接的吻合程度，R2越接近1越吻合，反之越接近0越不吻合。

四、監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

隧道從洞口開始到掌子面73331前，每天進尺1m，之后改為每天進尺2m。將2排測點縱向分組對比分析，每組2個測點，分為7組，按順序分別為YDB1-1～YDB2-1、YDB1-2～YDB2-2、YDB1-3～YDB2-3、YDB1-4～YDB2-4、YDB1-5～YDB2-5、YDB1-6～YDB2-6、YDB1-7～YDB2-7；結(jié)果如圖6、7、8、9、10、11、12所示。

圖6 測點YDB1-1與YDB2-1

圖7 測點YDB1-2與YDB2-2

圖8 測點YDB1-3與YDB2-3

圖9 測點YDB1-4與YDB2-4

圖10 測點YDB1-5與YDB2-5

圖11 測點YDB1-6與YDB2-6

圖12 測點YDB1-7與YDB2-7

1.圖6～圖12為地表沉降點累計沉降量與時間的關(guān)系。

2.由于現(xiàn)場局限性兩排地表沉降點距離較近，圍巖性質(zhì)相同，圖6～圖12地表沉降點在同一縱向不同斷面的變化趨勢類似，同時可以相互對比論證，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)修正；距離隧道中線越近，同縱向不同斷面沉降波動越大，反之離隧道中線越遠波動越平緩，沉降值越接近。

3.從圖6～圖12可知，同一斷面不同測點沉降量不同，變化趨勢區(qū)別不大。

4.圖6～圖12看出，隧道洞口在施做管棚、打超前注漿錨桿期間，地表會發(fā)生豎向位移，有上鼓趨勢；隨著掌子面的推進，在未到監(jiān)測斷面時地表沉降量較小，起伏不定；當掌子面推進到接近監(jiān)測斷面時，發(fā)生冒頂塌方，地表沉降量瞬間增大；在及時采取有效措施后，地表沉降量逐漸減小，漸漸恢復正常變化趨勢；當掌子面超過監(jiān)測斷面1.6倍洞涇后，地表沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，此時已完成沉降總量的85%左右；其中，掌子面開挖到監(jiān)測斷面是沉降速率最大，沉降量已完成總量的55%左右；其中掌子面開挖到接近監(jiān)測斷面發(fā)生冒頂塌方時沉降量為總完成量的26%左右。

五、結(jié)語

在建隧道施工過程中，圍巖的動態(tài)監(jiān)測尤為重要，特別是在淺埋地段和地質(zhì)條件較差的時候，由于開挖過程中的擾動，打破地質(zhì)體原有的平衡狀態(tài)，從而引發(fā)更加復雜的圍巖動態(tài)變化。本次塌方冒頂影響因素：巖層傾角走向、巖體破碎、層間夾泥、山體滲水、施工作業(yè)過程存在不足、核心土預留為滿足要求、爆破藥量及爆破尺寸未能掌控好等多方面影響圍巖穩(wěn)定性的主客觀原因。通過對地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理得知淺埋隧道洞口處上方圍巖與掌子面開挖斷面的關(guān)系，同時因為本次塌方冒頂?shù)奶厥庑再|(zhì)，分為：輕微鼓起、起伏不定、微小沉降、瞬間沉降、沉降減小、趨于穩(wěn)定等6個階段。因此，在開挖過程中及時對監(jiān)控數(shù)據(jù)及地質(zhì)條件進行分析，結(jié)合現(xiàn)場具體情況選擇合適的支護，規(guī)范施工，確保施工的安全和效率。