某隧道地表沉降监控量测实例分析

某隧道地表沉降监控量测实例分析

王运金　彭爱红　涂久根

（江西省公路桥梁工程局　南昌　330009）

摘　要　通过某隧道的地表沉降监控量测实例分析，介绍了地表沉降观测的布点原则、观测方法、隧道边仰坡稳定性分级、预警指标、数据分析、原因分析以及边仰坡出现不稳定性的处理方法，为隧道进洞施工处于受控状态提供了较为稳妥的安全保障。

关键词　隧道工程　地表沉降观测　布点原则　稳定性分级　处理方法

1　前　言

某隧道位于我国南方江西省境内一山区——武吉高速公路上，起止桩号为K 163＋360～163＋572。设计长度为212m，设计路面标高进口为86．073 m，出口85．25 m。隧道区属构造剥蚀、构造剥蚀和构造溶蚀地貌，横穿一近东西向山梁，地势较陡，平均自然坡角30°左右，相对高差80m。地表植被发育，主要为灌木丛和庄稼。进口采用削竹式洞门形式，出口采用端墙洞门形式。

地形地貌：隧道构造上位于蒙山背斜的北翼，地层单向南倾，产状190°～210°夹角35°～55°。本隧道出口发育一正断层，该断层发育于三叠系地层内，总体向北倾，倾角40°～60°，下盘大治组灰岩上冲而重复出现。隧道区多为残坡积覆盖，基岩零星，出露地层为三叠系下统大治组灰岩及三叠系中统杨家群的沙页岩。表层多为蚕区处于九岭隆起变质岩丘陵区，地形起伏大，植被发育，微地貌有山间冲洪积小盆地、山脊以及山间冲沟等，其中山脊呈近南北走向，与隧道轴线呈大角度相交。沿隧道轴线，区内的最高点在山脊，标高为245．8 m，最低点在隧道出口，标高为149．9 m，相对高差为95．9 m。隧道进口位于低丘北侧山坡，其右侧为一南北向小冲沟，横向地形起伏大，标高在182～200 m，冲沟呈南北向，宽约20 m，为隧道北侧地表水的排泄通道。隧道洞身穿浑圆状高丘山体，自然斜坡为上缓下陡，自然坡度在10°～35°。隧道出口位于山坡，地形起伏较小，其后地形为山间沟谷地，沟谷呈北东向，宽约20 m，深约10 m，为隧道南侧地表水的排泄通道，其标高在150 m左右。

2　隧道地表沉降监控量测

2．1　隧道边仰坡监控量测介绍

为了确保隧道能够顺利掘进，保证隧道施工安全，项目业主聘请有丰富经验的专业队伍对全线所有隧道进行有针对性的监控量测，按规范要求进行拱顶下沉、周边位移收敛、边仰坡地表沉降观测。由于隧道在进洞时边仰坡的稳定与否直接影响到隧道能否顺利进洞，本文仅针对隧道边仰坡的稳定性监控量测进行探讨。

2．2　隧道地表沉降观测布点原则和观测方法

浅埋隧道和隧道洞口通常位于软弱、破碎、自稳时间较短的围岩中，施工方法不妥极易发生冒顶塌方或地表有害沉降，当地表有建筑物时会危及其安全。浅埋隧道开挖时可能会引起地层沉陷而波及地表，因此对浅埋隧道的施工进行地表沉降量测是十分有必要的。基点布设：埋设在隧道开挖纵横向各3～4倍洞径外的区域，埋设2个基点，以便互相校核，参照标准水准点埋设，所有基点应和附近水准点联测取得原始高程。

2．2．1　测点布设

在测点位置挖长、宽、深均为200 mm的坑，然后放入地表测点预埋件（自制），测点一般采用φ20～30mm，＠200～300mm的平圆头钢筋制成，测点四周用混凝土填实，待混凝土固结后即可量测。武吉高速公路分离隧道进（出）洞口单洞布设5个测点（如图1所示），连拱隧道进（出）洞口全断面布设9个测点（如图2所示）。

图1　地表沉降量测范围及测点布置示意图（分离隧道）

图2　地表沉降量测范围及测点布置示意图（连拱隧道）

2．2．2　量测

用高精度全站仪进行量测。要求：量测应在仪器检验合格后方可进行，且避免在测站和标尺有振动时进行；尽量选择在每一天同一时间内进行量测。

量测坚持四固定原则，即：施测人员固定，测站位置固定，测量延续时间固定，施测顺序固定，且应每隔30 d用精密水准测量的方法进行基点与水准点的联测，其误差不得超过±0．5mm（n为测站数）。

3　隧道边仰坡稳定分级及预警指标

3．1　边仰坡稳定分级

根据隧道监测以往的工程经验，一般边坡测点的位移基本上可以分为以下5个阶段，如图3所示。

3．1．1　初期沉降阶段

相当于0—1段，由于隧道洞口边坡围岩一般风化比较严重，围岩较为松散，由于洞口开挖扰动，围岩产生松动，刚开始开挖时洞口各测点一般产生较大的沉降，随着时间的增长，洞口围岩达到内部自平衡，速率逐渐减小。如果此类阶段沉降较大，且没有收敛的趋势，此类情况一般为隧道常见发生塌方事故之一。此时应该及时加强洞口段的支护参数，确保隧道洞口段安全。

图3　边坡沉降各阶段示意图

3．1．2　平稳发展阶段

相当于1—2段，随着掌子面的远去，施工对于洞口边坡的扰动已经较小，边坡由于围岩粘弹性的力学性质，发生一些蠕变位移。

3．1．3　过渡阶段

相当于2—3段，对于上下台阶开挖的隧道，洞口段下台阶的开挖对于洞口边坡的扰动较大，此时围岩受到2次扰动，围岩应力进行重分布，有些部位围岩受到应力集中的作用，甚至产生塑性区，此时沉降开始缓慢增长。此阶段沉降由平稳发展过渡到缓慢增大，此过程的发展时间长短与围岩自身的性质有很大关系。在塑性较大的围岩段，这一过程可能要发展一段时间。

3．1．4　加速沉降阶段

相当于3—4段，此时边坡围岩内部平衡已经发生破坏，边坡测点加速下沉，边坡开始出现较大裂缝，边坡滑动面已经开始形成，此时一般要进行报警，采取必要措施以防止衬砌和围岩失稳。

3．1．5　破坏阶段

相当于4以后段，此时边坡裂缝已经明显快速发展，边坡滑移面已经完全贯通，滑移面上的抗阻力已经小于下滑力，边坡发生滑移破坏。

总体来讲，1，2，3，4，5这5个阶段很少同时出现在同一边坡位移中，大部分情况发生1—2段情形，边坡安全。有时候直接为1—5段情形，常见于隧道进洞时发生滑移破坏；1—2—4—2段情形也比较常见，当发展到4情形时，立即进行补救性抢险措施，可使曲线继续回归到2阶段上来。在实际工程中，还常常遇到各种组合。

3．2　边坡监测报警指标

对于警报的量值标准，在参照我国《公路隧道设计规范》（JTJ 042—94）的基础上，应根据具体的围岩类别，监测曲线的变化趋势等综合分析的基础上予以判定。对监测曲线进行分析时，结合围岩特性，定量区分出围岩的容许变形，减少测量误差，提高监测质量。现可将隧道边坡测点沉降分为5个阶段，分别为：安全阶段、三级警戒、二级警戒、一级警戒、抢险救灾，具体标准如表1。

表1　边坡测点警戒标准

4　地表沉降数据及原因分析

绘制时间—位移与距离—位移图，曲线正常则说明位移随施工的进行渐趋稳定。如果出现反常，出现反弯点，说明地表下沉出现点骤增加现象，表明围岩和支护已呈不稳状况，应立即采取措施。下面是隧道进口端边坡一段时间内的观测数据（如图4所示），进口端地表下沉测点水平位移下沉变化数据如表2～表4所示。

图4　隧道进口边坡地表沉降点P1～P6变化曲线

表2隧道进口地表沉降监测成果一览表

表3　隧道进口地表X水平位移监测成果一览表

表4　隧道进口地表Y水平位移监测成果一览表

由以上数据分析，至3月各边坡测点的数据一直连续变化，变化最大的测点平均日变化量为－8．11 mm，变化最小的P3点日变化量为－0．50 mm，变化最大P3点达到了－29．50 mm，P6点达到了－26．00 mm。主要原因是洞口岩性本来就较差，全是强风化亚粘土，又遇雨季降雨频繁，亚粘土遇水支撑力较差，易塌陷滑坡。

5　数据异常时处理方法

当发现数据显示异常时，应加大监控量测的监测频率，同时对洞内外应采取一定的处理措施。

5．1　加固和封闭洞口仰边坡

要求施工单位暂停中导洞的掘进，及时对洞口边仰坡进行超前小导管注浆等加固处理（尤其是中导洞顶部前期塌陷处及仰坡上的截水沟），不要只用简单的水泥加固，进行注浆等加固方式。防止雨水下渗，导致围岩变形进一步发展。

5．2　洞内加固、加强

要求施工单位在洞口边坡进行处理之后，先在中导洞内进行加固支护，在变形较大及裂缝较大的地方进行锚杆、钢支撑支护等加固措施，确保施工人员安全施工；开挖进度缓慢进行掘进，掌子面更要加强钢支撑支护。

5．3　加大观测频率

要求加大监测断面和频率，对边坡洞内多观察勤观测，同时密切关注隧道进口端的洞口边坡稳定状况，对该边坡保持每天一测的频率，如有异常将增大监测频率，及时分析上报各有关单位，并采用相应的处理措施。

6　结　语

根据观测结果进行的数据分析可以判断其地表沉降是否处于稳定状态，再做出相应处理，为隧道的安全掘进提供很好的保障。

参考文献

［1］交通部重庆公路科学研究所．公路隧道施工技术规范（JTJ 042—94）［S］．北京：人民交通出版社，1995．

［2］周爱国．隧道工程现场施工技术［M］．北京：人民交通出版社，2004．