彭泽乾，彭 川

(1.陕西省交通建设集团公司，陕西 西安 710075；2.中国建筑西南设计研究院有限公司，重庆 400020)

1 前言

在山岭区高速公路建设中，由于受地形条件的限制，为了克服高程、避免大挖方破坏生态、避绕不良地质而选择隧道施工，在隧道施工开挖过程中，由于地应力释放会破坏原有围岩结构的稳定性，可能会导致在施工过程中发生坍塌事故[1]。

1.1 隧道围岩变形失稳发育及致灾特点

隧道坍塌是指在隧道施工中，洞顶及两侧部分岩土体在重力作用下向下崩落的一种不良地质现象。围岩变形坍塌，除了与岩体的初始应力有关，还主要取决于围岩的岩性、结构和构造以及水的作用[2-3]。正是由于隧道塌方的影响因素较多，所以坍塌事故普遍发生，根据调查在隧道施工过程中坍塌事故发生数量最多。隧道施工坍塌事故灾害具有以下特点：

(1)易发性。隧道工程与其他工程相比具有隐蔽性、施工复杂性、地层条件和周围环境的不确定性等突出特点，从而加大了施工技术难度和建设风险，使得其在多种影响因素下比较容易发生隧道坍塌事故。

(2)突发性。隧道围岩受到开挖扰动后，在自重应力及结构应力的作用下，变形失稳导致的坍塌事故灾害具有突发性，灾害发生前并无明显预兆。

(3)破坏力强。由于隧道施工空间有限，并且隧道坍塌所产生的岩土体下落速度较快，在场施工作业人员不能及时躲避，势必会掩埋或砸伤作业人员，对施工人员的人身安全形成很大的威胁，同时会不同程度地损坏施工机械设备。

(4)影响面广。隧道发生坍塌事故会延长隧道整体施工工期，增加工程预算，降低了施工单位的施工质量，造成一定的经济财产损失。

1.2 隧道围岩变形失稳对公路施工安全的影响

山岭区高速公路建设过程中，由于影响因素较多，发生坍塌事故的风险较大，隧道塌方不仅影响工程施工进度且增加施工费用，严重的还会威胁到隧道内施工作业人员生命安全，产生较大的安全生产事故。如2012年9月16日，大广高速B3标段江西龙南县境内象形1#隧道左线距洞口20 m处发生塌方事故，致使16名施工人员被困隧道内。2019年1月7日，宣威市杨宣高速公路来宾段大营坡隧道作业时，隧道上方泥土塌方，致2人死亡，1人轻伤。

1.3 隧道施工围岩监控量测的必要性

公路隧道施工具有上述多种致灾特点，目前在施工过程中未能开发出有效的监控系统和设备实行全施工过程中的围岩变形监测和及时预警。若在隧道开挖施工过程中采用合理有效的方法和设备对开挖后的围岩进行监控量测，通过分析监控测量数据及时了解开挖后的各测点断面围岩稳定情况，遇见收敛、下沉数据异常时能迅速采取相应的应急措施，快速发布现场信息及时撤离施工作业人员及机械设备，避免人员伤亡和财产损失。因此在隧道掘进施工过程中，进行围岩变形的监控量测是十分必要的，且要求监控量测数据的获得和处理具有极强的及时性和准确性。

2 工程概况

平镇高速公路起于安康市平利县城关镇龙古村，终点为陕渝界鸡心岭隧道两省交界处。路线全长81.445 km，采用双向四车道高速公路标准，设计时速80 km/h，路基宽度25.5 m，全线桥隧比82.62%。项目地处于山岭地区，桥隧比大，且项目隧址地质条件复杂，围岩等级较低，路线穿越多条断层带、富水带或临近水库库区，存在断裂涌突水风险，施工难度大。

秋山隧道为本项目三座控制性隧道工程之一，位于安康市秦巴山区大巴山的北麓，境内以高海拔的石质高中山为主，海拔一般在400～3 000 m之间，地势总体南高北低。受地质构造和岩性的控制，岭脊多为北西走向，少部分为东西走向。隧道左线起讫桩号为K23+305～K30+947，长7 642 m；右线起讫桩号为K23+310～K30+980，长7 670 m，属于特长隧道。

本次研究区域主要为秋山隧道右洞YK27+080～YK27+120段落，其中YK27+080～YK27+100段围岩为断层碎裂岩，受F116断层影响严重，洞室围岩极破碎，围岩稳定性差，隧道开挖洞顶易坍塌，地下水类型为基岩裂隙水，雨季施工地表水沿断层入渗，形成突水或涌水现象；YK27+100～YK27+120段洞室为微风化云母石英片岩、绢云母片岩，岩体节理、裂隙较发育，呈镶嵌碎裂结构，围岩稳定性一般，洞顶无支护时易坍塌掉块，侧壁有时失稳。该段洞室地下水类型为基岩裂隙水，洞室开挖易出现滴水或淋雨现象，强降雨时，若遇导通的大裂隙会出现少量的突水及涌水现象。

3 隧道施工监控量测方案

3.1 监控量测方法及测点布设

图1 周边收敛及拱顶下沉测点布设示意图

不同的断面开挖方式采用不同的测点布设方式，该隧道采用台阶法开挖方式，则每个开挖台阶设置1条测线，拱顶及拱腰测点布设如图1所示。根据隧道埋深、开挖宽度、围岩等级确定每10m布设一处测量断面且断面与隧道中线垂直布设。

3.2 监控量测方法及稳定性判据

秋山隧道施工过程中，拱顶沉降量采用苏一光公司的DS05精密水准仪，仪器精度0.01 mm；隧道周边收敛量测采用JSS30A型数显收敛计，仪器精度0.06 mm；掌子面、洞壁围岩和支护状况观察采用目测观察。在日常监控量测工作中严格按照JTG/T F60-2009《公路隧道施工技术规范》的规定，将洞身周边收敛速率0.1～0.2 mm/d及拱顶沉降速率0.07～0.15 mm/d作为围岩稳定的判定依据[4]。

3.3 监测断面间距及监测频率

本次监控量测数据取自秋山隧道右洞YK27+080～YK27+120自测点布设以来相应的观测数据，根据围岩等级测点间距为每10 m设置一处，监测频率每天1次[5]。

4 隧道变形失稳形式

根据施工现场掌子面情况，结合地质勘查报告以及超前地质预报结果，秋山隧道研究段落开挖掌子面及洞身段围岩节理走向无规则、裂隙发育，整体呈现镶嵌碎裂状，并存在裂隙水。以上结论表明，在隧道开挖过程中会出现结构失稳和水损失稳两种破坏形式。

4.1 结构失稳破坏

由于压应力集中会使具有镶嵌碎裂结构的围岩产生剪切松动，此类围岩的破坏模式主要表现为破裂松动。隧道施工过程中，由于洞体开挖，应力会发生重分布，如果围岩应力超过了围岩的屈服强度，这类围岩将会沿着多组已有断裂结构发生剪切错动而松弛，并围绕开挖洞身形成一定的碎裂松动带。这类松动带本身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与，极易导致拱顶的坍塌和边墙的失稳。

4.2 水损失稳破坏

研究表明，绝大多数隧道坍塌事故发生过程中均受水的影响，水是导致隧道发生坍塌事故的最关键性影响因素。地下水和地表水是导致坍塌事故的两种水的表现形态。本项目位于陕南地区，雨量充沛、河流发育属于地表水，隧道中存在的裂隙水属于地下水。由于水的物理、化学及力学作用，松散破碎岩体中岩石的单轴抗压强度和弹性模量随着含水量的增加而降低，后续岩体中产生的软化、溶解、润滑、水压力及机械冲刷作用使隧道围岩的稳定性进一步降低，从而导致坍塌事故的发生[6]。

5 监控量测数据分析

对日常观测采集到的数据进行分析，研究段落YK27+080～YK27+120的周边收敛量、收敛速率、拱顶沉降量和拱顶沉降速率等相关数据指标分别如图2、图3、图4和图5所示。

5.1 周边收敛、拱顶沉降数据直观分析

由图2、图3中数据分析可知：周边累计收敛值持续增长。YK27+80、YK27+90、YK27+100、YK27+110、YK27+120这5个测点在各自的观测周期内，周边收敛速率整体上呈现下降趋势，但是YK27+80测点在观测周期内峰值达到14.23 mm/d，且只有1 d的观测数据0.15 mm/d满足围岩稳定判定标准；YK27+90测点在观测周期内峰值达到13.95 mm/d，且只有2 d的观测数据满足围岩稳定判定标准，分别为0.19 mm/d、0.13 mm/d；YK27+100测点在观测周期内峰值达到了26.21 mm/d，且只有1 d的观测数据0.18 mm/d满足围岩稳定判定标准；YK27+110测点在观测周期内峰值达到了16.95 mm/d，且只有2 d 的观测数据满足围岩稳定判定标准，分别为0.16 mm/d、0.1 mm/d；YK27+120测点在观测周期内峰值达到了12.15 mm/d，且没有观测数据是满足围岩稳定判定标准的。

图2 5个测点处周边累计收敛值

图3 5个测点处周边收敛速率

由图4、图5中数据分析可知：拱顶累计沉降量持续增长。YK27+80、YK27+90、YK27+100、YK27+110、YK27+120这5个测点在各自的观测周期内，拱顶沉降速率整体上呈现下降趋势，但是YK27+80测点在观测周期内峰值达到了3.25 mm/d，且只有1 d的观测数据0.15 mm/d满足围岩稳定判定标准；YK27+90测点在观测周期内峰值达到了3.9 mm/d，且只有3 d的观测数据满足围岩稳定判定标准，分别为0.14 mm/d、0.15 mm/d、0.11 mm/d；YK27+100测点在观测周期内峰值达到了4.13 mm/d，且只有1 d 的观测数据0.12 mm/d满足围岩稳定判定标准；YK27+110测点在观测周期内峰值达到了4.09 mm/d，且只有2 d的观测数据满足围岩稳定判定标准，分别为0.12 mm/d、0.09 mm/d；YK27+120测点在观测周期内峰值达到了9.69 mm/d，且只有1 d的观测数据0.13 mm/d满足围岩稳定判定标准[7-9]。

图4 5个测点处拱顶累计沉降量

图5 5个测点处拱顶沉降速率

5.2 数据函数拟合预测分析

对某个测点采用监控量测方法所得到的数据是一组离散型的数据，除了上述的数据列表、作图、直观分析等方式，数据的函数拟合回归分析更有利于直观反应监控量测数据的变化趋势和规律，以及预测隧道洞身开挖后围岩动态变化过程[10]，以及及时采取工程处置措施或调整施工方案。对收集到的周边收敛及拱顶沉降相关数据分别采用指数函数、对数函数、幂函数、多项式进行拟合，得到了置信度最高的拟合函数如表1所示。

表1 周边收敛及拱顶沉降相关数据函数拟合统计表

由于规范中用周边收敛速率和拱顶沉降速率作为隧道施工围岩开挖稳定判定依据，所以研究重点对周边收敛速率及拱顶沉降速率所能分别达到规范要求值的时间进行预测，用于与目前实际测量天数达到的数值进行对比。以测点YK27+80为例(其余测点预测计算过程相同，不再赘述)，将周边收敛速率及拱顶沉降速率的拟合式分别代入到相对应的稳定判据中，预测计算出的结果为：周边收敛速率满足稳定判据的天数是43～50 d，拱顶沉降速率满足稳定判据的天数是63～77 d。也就是说，目前的开挖监控量测天数还未能达到预测稳定的天数。

对采集到的周边收敛及拱顶沉降数据进行直观分析和函数拟合预测分析，结果表明，在整个观测研究区域YK27+80～YK27+120段落内，周边收敛及拱顶沉降数据不满足规范要求的围岩稳定判定依据，围岩仍处于较大变形阶段，这与施工现场该段落产生初支侵限情况吻合，此情况出现可能造成文中分析的结构失稳破坏。

5.3 存在问题处置方案及数据复测

根据数据分析及现场初支侵限情况，初步拟采用提高初支支护设计参数进行现场处置，并采用监控量测方法对现场处置方案的处置效果进行核准验证。地勘资料显示，YK27+80～YK27+100处围岩等级为Ⅴ级围岩，原设计支护参数为S断，YK27+100～YK27+120处围岩等级为Ⅳ级围岩，原设计支护参数为SⅣ-1。各段落不同围岩等级下原支护参数如表2所示。

表2 各段落不同围岩等级下原设计支护参数一览表

由于YK27+80～YK27+120段落处于变形期，在隧道施工过程中产生了初支侵限问题。针对此问题及时对该段落支护形式进行变更处置，原S断支护参数不变，将SⅣ-1支护参数提高为S断支护参数，对该段落上、下导采用I20a工字钢进行背拱处置，由掌子面方向向出口方向顺序施工，间距为60 cm，并对每榀钢拱架接头处增设4根5 m长的∅50×4 mm的锁脚钢管，对处置后的该段落进行监控量测复测，其复测数据分别如表3、表4所示。

YK27+80～YK27+120段落经过工程措施处置后，同样通过数据直观分析及函数拟合分析，从各测点的位移变化来看，周边收敛速率及拱顶沉降速率均呈现放缓趋势，且逐渐处于围岩稳定判定标准之内，根据复测数据显示可判断该段落围岩已处于稳定状态。

表3 各测点处置后周边收敛速率

表4 各测点处置后拱顶沉降速率

6 结论及建议

通过分析收集到的周边收敛及拱顶沉降数据，结果表明研究段落YK27+080～YK27+120内各测点数据未能达到规范中围岩稳定的判定标准，施工过程中洞身仍处于较大变形阶段。根据数据分析结果发现了施工现场洞身开挖后初期支护出现侵限问题，及时对现场采取了工程处置措施，并提高了该施工段落的初期支护参数。对处置后的该段落进行数据复测，结果表明周边收敛速率及拱顶沉降速率均呈现放缓趋势，且逐渐处于围岩稳定判定标准之内，可判定处置后围岩趋于稳定状态。建议后续施工过程中，为了有效预防洞身坍塌事故，应做好日常监控量测工作，如遇数据异常及时采取处置措施并调整支护参数，确保人员及主体结构安全。