凍土隧道淺埋段融化險情預(yù)警及處理措施

李 云

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112)

1 隧道概況

青藏高原祁連山某凍土隧道為一座雙向雙車道二級公路長隧道，穿越山脈屬低高山冰川刨蝕地貌單元，隧址區(qū)高程3 868～4 236 m，相對高差378 m，隧道進出口地形較平緩，坡度在20°～40°之間，陡坡最小坡度5°，附近坡面無匯水條件，植被稀少，以雜草為主。山頂(陰坡)為常年積雪覆蓋。經(jīng)洞口開挖及管棚施工揭示洞口段35 m全部為凍土，凍土類型為含土冰層。經(jīng)測量計算洞口覆蓋層較薄(1.36～8.00 m)。隧道區(qū)為典型的低高山凍土地貌，類型為多年不穩(wěn)定型凍土，熱融后易變軟、剝落、坍塌。

2 開挖與支護

洞口凍土段施工為了防止爆破對凍土的干擾，減少人為因素的干擾，確保洞口施工安全，洞口凍土段采用機械法開挖，按三臺階進行施工。為了保證施工安全，洞口淺埋段初期支護參數(shù)為：型鋼鋼架采用I 20型鋼鋼架間距60 cm，雙層鋼筋網(wǎng)片(網(wǎng)格間距：20×20 cm)，網(wǎng)噴27 cm厚C25，每臺階鋼架采用小導(dǎo)管進行鎖腳，鎖腳錨桿長3.5 m。二次襯砌設(shè)計尺寸為55 cm厚的鋼筋混凝土，強度等級C35。

3 監(jiān)控量測

對隧道進行監(jiān)控量測是施工過程中的最主要的一項工作內(nèi)容，也是確保隧道施工質(zhì)量和安全生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。通過施工現(xiàn)場監(jiān)控量測可以掌握周邊圍巖和初期支護在隧道開挖施工過程中的力學(xué)動態(tài)和穩(wěn)定程度，確保施工安全，為評價和修改初期支護的參數(shù)，圍巖受力力學(xué)分析及二次襯砌施作時間提供依據(jù)。該隧道施工監(jiān)控量測主要為地表下沉(洞口及淺埋段)、周邊收斂、拱頂下沉等量測。

3.1 地表下沉量測

本項目隧道根據(jù)洞口地形在進口端洞口設(shè)置3個斷面，以隧道開挖輪廓的兩拱角為基點布置測點，以45°角向地表延伸，該區(qū)域為隧道施工影響區(qū)，也是地表下沉觀測的范圍。并根據(jù)地形和延伸線在每個橫斷面地面上布置7個測點，測點布置以隧道中線附近密，向兩端漸稀。水準基點設(shè)置在監(jiān)測范圍以外4倍洞徑處，并將基點埋置底部設(shè)置于凍土上限以下，以作為觀測各點高程測量的基準點。

3.2 周邊收斂

周邊收斂測點根據(jù)上下臺階分界處相應(yīng)布設(shè)，以分界處底部往上1.5 m為宜。

根據(jù)本隧道凍土地質(zhì)條件以5 m間距布設(shè)量測斷面，量測斷面埋設(shè)測點距開挖面不超過2 m，在上次爆破后24 h內(nèi)進行第一次量測。量測工作應(yīng)按照相關(guān)量測頻率要求進行，每次讀數(shù)讀三次并記錄，同時應(yīng)測量出量測斷面處的隧道內(nèi)氣溫等環(huán)境參數(shù)，并相應(yīng)填寫好記錄表。在隧道斷面開挖或初噴后24 h內(nèi)埋設(shè)周邊收斂測點，應(yīng)在隧道左、右邊墻位置分別埋設(shè)測樁，測樁埋設(shè)完成后進行初始讀數(shù)，同時測試環(huán)境溫度進行溫度修正?；鶞庶c應(yīng)在洞內(nèi)和洞外分別設(shè)置以利于校核，視線長度控制在小于等于30 m，監(jiān)測誤差不超過0.1 mm，必要時可采用冗余觀測法提高監(jiān)測的精度。

3.3 拱頂下沉

測點布設(shè)于周邊收斂監(jiān)測斷面的拱頂中心位置，量測方法頻率同周邊收斂，并且同時進行。

4 預(yù)警險情及原因分析

隧道進口端在上臺階開挖到距洞口14.8 m，中臺階開挖到左側(cè)距洞口12 m(右側(cè)距洞口8.8 m)，下臺階開挖到左側(cè)距洞口4.4 m(右側(cè)距洞口2.4 m)時，地表沿主洞方向距洞口10 m量測斷面沉降和洞內(nèi)距洞口5 m拱頂監(jiān)測點沉降變化較大，超出規(guī)范允許的預(yù)警值，發(fā)布紅色預(yù)警。通過現(xiàn)場監(jiān)控量測組監(jiān)測數(shù)據(jù)分析地表A斷面(距洞口10 m處)，DB-A-03號地表沉降速率為：-2.6 mm/d，超過預(yù)警速率值(2 mm/d)；DB-A-04號地表沉降速率為：-13.3 mm/d，超過控制速率值(3 mm/d)；DB-A-05號地表沉降速率為：-2.0 mm/d，超過預(yù)警速率值(2 mm/d)；拱頂(距棟樓5 m處)里程斷面GD-27-415號拱頂沉降速率為：4.1 mm/d，超過控制速率值(3 mm/d)。變形曲線見圖1、圖2。

圖1 預(yù)警地表沉降變化曲線圖

圖2 預(yù)警拱頂下沉變化曲線圖

原因分析：隧道地處屬于中更新統(tǒng)冰積物(Q2g1)冰磧塊石、碎石及下巖組砂巖，經(jīng)對掌子面觀察，得出上臺階土質(zhì)呈黑褐色，主要為粘土及角礫石，粘土含量大約60%，含水量較高，主要以冰塊形式賦予(即凍土)，其余為角礫石、碎石填充，圍巖自身穩(wěn)定性差，隧道掌子面、初支出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，隨著掌子面的開挖洞身擾動較大，且未施做仰拱，對隧道的安全穩(wěn)定較為不利。同時隧道預(yù)警段施工期間當?shù)貧夂驗檫B續(xù)晴天，氣溫升高，洞口表面積雪及隧道淺埋段凍土融化速率加快，造成支護結(jié)構(gòu)兩側(cè)土壓力增強，且本段拱頂覆土較薄，造成初期支護往洞身方向收斂，支護結(jié)構(gòu)拱頂處往地表方向上升。

5 處置措施

(1)加強圍巖量測及地表沉降觀測，加強洞內(nèi)外觀察，注意掌子面及支護結(jié)構(gòu)的觀察，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)停止掘進作業(yè)，采取支護措施。

(2)由于隧道洞口位于凍土段，地質(zhì)條件較差，埋深淺，施工難度較大，洞口段開挖施工過程應(yīng)杜絕爆破開挖，應(yīng)采取機械開挖方法，以降低對邊坡、仰坡圍巖的擾動。洞頂搭設(shè)遮陽棚以降低洞頂覆蓋層的溫度，降低凍土融化速度。

(3)為了確保施工安全，對該段上臺階、中臺階及下臺階設(shè)置臨時仰拱支護，確保支護措施在每臺階施工完成后成封閉狀態(tài)，以減少拱頂下沉和圍巖周邊收斂速率，保證施工安全。在圍巖量測數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求的前期下，及時完成二襯施工，使二襯承擔部分圍巖應(yīng)變力。

(4)及時完成邊坡和仰坡防護工程、截水溝及排水溝的施工，建立洞外排水與洞內(nèi)排水系統(tǒng)，確保將洞內(nèi)水及時順利排出，以阻斷洞內(nèi)積水向隧道基礎(chǔ)的滲透，影響隧道施工安全。

(5)對洞口凍土段襯砌進行優(yōu)化補強處理，具體參數(shù)為：I 20型鋼鋼架間距40 cm，雙層鋼筋網(wǎng)片(網(wǎng)格間距：10×10 cm)，網(wǎng)噴27 cm厚C30低溫早強混凝土，每臺階鋼架采用小導(dǎo)管進行鎖腳，鎖腳錨桿長4.5 m。二次襯砌設(shè)計調(diào)整為60 cm厚的C40鋼筋混凝土。

(6)通過前期連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及本次監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，地表單次沉降速率大，但通過洞內(nèi)監(jiān)測及觀察，洞內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)裂縫等異常情況，因此針對凍土淺埋地段把速率控制值及累計控制值，在科學(xué)的判斷分析和確保工程安全的前提下，可作適當調(diào)整放寬。

(7)加強和第三方技術(shù)服務(wù)單位的溝通，做好地質(zhì)超前預(yù)報工作，并“及時”反饋，施工過程中如發(fā)現(xiàn)開挖面地質(zhì)情況異常，要及時采取相應(yīng)措施。

以上措施采取后，地表沉降和拱頂下沉趨于穩(wěn)定，變形曲線見圖3、圖4。

圖3 處理后地表沉降變化曲線圖

圖4 處理后拱頂下沉變化曲線圖

5 結(jié)束語

通過對隧道進行地表下沉(洞口及淺埋段)、周邊收斂、拱頂下沉等監(jiān)控量測，以及在監(jiān)控量測過程中發(fā)現(xiàn)的地表沉降、拱頂沉降變化較大，超出規(guī)范預(yù)警值并發(fā)出紅色預(yù)警，為防止隧道開挖后凍土熱融造成坍塌冒頂險情，通過采取機械開挖、搭設(shè)遮陽棚，做好截水溝，停止掌子面掘進工作，加強支護，每臺階封閉成環(huán)等等措施，有效控制了地表沉降、周邊收斂及拱頂沉降速率，確保了隧道安全進洞，順利穿越了凍土地段。