高边坡下浅埋偏压隧道施工动态监测与分析

增刊施工技术

CONSTＲUCTIONTECHNOLOGY

593

高边坡下浅埋偏压隧道施工动态监测与分析王乐平（中铁十五局集团第一工程有限公司，陕西

西安

710018）

*

［摘要］浅埋偏压段隧道围岩稳定性较差，施工时易发生坍塌、冒顶等事故。针对晋祠隧道高边坡偏压段的浅埋暗制定了施工监测方案，通过对隧道和钢拱架支护变形、围岩压力和边坡水平位移的监测，获得了施工挖施工问题，

隧道拱顶沉降、水平收敛随着隧道施工逐渐增大；隧道左拱脚处有过程中隧道围岩的受力与变形规律。结果表明，

最大的围岩压力、右拱腰处有最大拱架弯矩；边坡水平位移随隧道开挖有明显的台阶式跳跃变化，当仰拱封闭后，隧道变形、围岩压力、钢拱架弯矩和边坡水平位移等监测指标均逐渐趋于稳定。研究可为偏压浅埋段隧道的施工提供实践经验。

［关键词］偏压隧道；高边坡；浅埋暗挖；监控量测；支护方案［U455.4中图分类号］

［文献标识码］A

［8498（2019）S1-0593-03文章编号］1002-

DynamicMonitoringandAnalysisofShallow

BiasTunnelUnderHighSlope

WANGLeping

（ChinaＲailwayFifteenBureauGroupFirstEngineeringCo.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi

710018，China）

Abstract：Accidentsrecordsandstatisticsshowthatshallowburiedtunnelswerelessstablethangenerictunnelsduring

amonitoringschemeoftunnelunderslopebiastopographywasdevel-construction.ForJincishallowbiastunnelexcavation，

opedbytheanalysisofdomesticandforeignsimilarsafetymonitoringprojects.Throughthedeformationmonitoringoftunnelandsteelarchsupport，surroundingrockpressureandhorizontaldisplacementofslope，thestressanddeformationruleofsurroundingrockbytunnelconstructionwereobtained.Theresultsshowthatthetunnelcrownsettlementandhorizontalconvergenceincreasedgraduallywiththetunnelconstruction.Themaximumofsurroundingrockpressurewasontheleftarchfootoftunnelandthemaximumofarchmomentoccurredintherightarchwaist.Thehorizontaldisplacementofslopethetunneldeformation，surroundingrockpres-hadobviousjumpchangewithtunnelexcavation.Oncethearchwasclosed，

sure，thebendingmomentofsteelarchandhorizontaldisplacementofslopegraduallystabilized.Onthisbasis，theeffectivemeasuresforconstructionandsupportofbiastunnelwereputforward.Thisstudycanprovidepracticalexperiencefortheconstructionofshallowtunnelwithbiaspressure.

Keywords：biastunnel；highslope；shallowburiedexcavation；monitoringmeasurement；supportscheme

我国中西部地区面积广袤，山脉、丘陵等地形分布广泛。近年来，随着西部大开发建设的不断推进，中西部地区的高速公路、铁路建设快速发展，此时隧道工程就成为改善线路分布的首选

［1］

关于偏压隧道，不少学者已对隧道的安全施工及稳定性监测方面进行过研究，肖剑秋

［9］

对偏压隧道变利用CDJM-

形进行了监控量测，分析了隧道周边部分区域变形异常的原因，并优化了设计参数；戴培义

［10］

。隧道工程多修建于地

下复杂地质环境，特别是隧道洞口段由于长期的雨水冲刷、风化侵蚀等作用形成了堆积层或破碎带，围岩条件极为脆弱。同时由于交通展线等原因，隧道洞口一般处于偏压荷载作用地段，隧道施工时不易形成塌落拱，常常发生洞内塌方、掌子面滑落、初支大变形、滑坡等工程灾害

［2-4］

MCU无线自动化综合测试系统对偏压隧道洞外路面等进行监测，并对高速公路运行稳定性进行评价；姜明才

［11］

对小净距偏压隧道进行了研究，通过现场监测分

［12］

析了小净距隧道施工的特点；王珏利用数值计算方

。基于以上原因，偏压隧道洞口段的施

［5-8］

法研究了浅埋双侧偏压小净距隧道的围岩变形和支护结构受力作用规律，并与监测结果对照发现两侧拱脚是需加强支护部位；候瑞彬

［13］

工安全成为工程技术人员非常关注的问题。

基于有限元强度折减法

和监控量测结果，对隧道施工过程中各个工序的安全

*国家自然科学基金委员会应急管理项目（51741410）

［作者简介］王乐平，E-mail：1092583911@qq.com高级工程师，［收稿日期］2019-03-31

系数动态变化进行了分析，获得了隧道施工稳定性控制的关键区域。

594施工技术2019增刊

本文以晋祠隧道为工程对象，对偏压段的洞内变形、围岩压力、钢拱架变形和边坡水平位移变化情况进行监测，分析隧道施工对围岩和边坡稳定性的影响，以期为施工方案的优化提供科学依据。1偏压隧道的监测布置1.1

工程概况

太原西南环线晋祠隧道在DK14+970—DK15+090里程处（长120m）为高边坡偏压段，边坡高度16m，坡度45o，隧道沿边坡坡脚水平通过，最小埋深仅5.7m。隧道断面高度11.3m，宽度13.6m，属浅埋大断面黄土隧道，围岩类别为Ⅳ类。对偏压隧道的初步分析表明，隧道施工极易诱发边坡失稳和洞内塌方，因此需选择合适施工方案和支护措施，并加强隧道和边坡的监控量测。

隧道具体施工方案为：在进口段30m内进行长管棚支护，采用三台阶七步开挖法施工，超前小导管注浆+钢拱架+钢筋网+喷射混凝土作为初次支护，之后再铺设防水层和浇筑二次衬砌。1.2

监测布置

在边坡和隧道内部设置多个监控测点，对隧道变形、围岩压力、拱架弯矩和边坡位移等参数进行监测。所有监控量测测点布置在一个隧道断面上，施工监测包括两方面内容：一是边坡水平位移监测，监测测点布置如图1所示，边坡水平位移测点设置4个，均布在边坡上方；二是隧道围岩变形和受力监测，具体测点布置如图2所示，隧道内部除设置围岩沉降和收敛的测点外，还在初次衬砌上安装了围岩压力计和拱架变形钢筋计，根据测点位置的不同，分别命名①拱顶、②左拱腰、③右拱腰、④左拱脚、⑤右拱脚、⑥左边墙、⑦右边墙、⑧左仰拱、⑨右仰拱。于是，通过监控测点数据的变化，就可以获得隧道施工时围岩支护和边坡的变形及受力状况，为施工过程提供科学指导。

图1偏压隧道水平测点布置

2偏压隧道的监测结果2.1

隧道围岩变形规律

隧道开挖过程中的围岩位移的变化曲线如图3所

示。根据监测结果可知，随着隧道的开挖，拱顶沉降和周边收敛值不断加大，

拱顶的最大日沉降量为13mm（中台阶开挖），当仰拱施作完毕后，拱顶沉降量明显减小并趋于稳定，最终沉降量为150mm左右；上下台

图2

偏压隧道监控量测断面测点布置

图3隧道累计变形时间历程曲线

阶的收敛过程具有类似的变化规律，即初始时刻收敛速率较快，当仰拱施作完毕后趋于稳定，最终上下台阶的收敛值分别稳定在35mm和25mm。

分析可知，隧道开挖前，围岩处于应力平衡状态，在岩体内开挖隧道后时，原来处于平衡状态的岩体发生了应力变化，即隧道周变围岩应力得到释放，应力的骤变引起围岩变形的快速变化，后围岩应力转移达到新的平衡，变形也趋于稳定。上述监测结果和理论分析表明，隧道开挖是引起围岩位移的主要施工因素，应力状态变化时引起隧道围岩变形的根本原因，采用有效的围岩支护方法并尽快封闭仰拱是减小围岩位移的可靠方法。2.2

隧道支护结构受力规律

图4为隧道围岩与初次支护之间的压力时间历程曲线，通过监测结果可知，随着隧道的开挖，围岩与初次支护间的接触压力是不断变化的：接触压力以左拱脚处为最大，右拱脚次之，而右拱腰处为最小；变化幅值最大的也是左拱脚，中台阶封闭后迅速增加，最大接

图4

隧道围岩与初支压力时间历程曲线

2019增刊王乐平：高边坡下浅埋偏压隧道施工动态监测与分析595

触压力达80kPa。对接触压力进一步分析发现，隧道的围岩压力存在明显的偏压现象，在靠近边坡一侧承受较大的向外推力，隧道进行初次支护后改变了压力的分布，在竖向和水平压力的共同作用下，接触压力以隧道左拱脚处最大，即偏压载荷向隧道外侧的拱脚方向作用产生最大压力。因此，在隧道开挖后，支护应及时成环形成承载结构，并对隧道拱脚区域加强支护。

通过对围岩与初支压力、钢拱架受力和变形的测试，求出了钢拱架弯矩随隧道掘进的变化规律，如图5所示。由钢拱架变形的测试结果可以看出，初次支护的钢拱架内力随着隧道开挖也是不断变化的，与围岩和初支的接触压力不同的是，弯矩以右拱腰处为最大，左拱腰次之，仰拱和左右边墙处均较小；变化幅值最大的是左拱腰，从初期的负值变到后期的正值，变化量达到4kN·m。由此可以看出，偏压隧道钢拱架的主要受力点在拱腰处，靠近高边坡侧的弯矩最大，隧道和支架的受力也最大，需要局部加强支护；而远离边坡侧的支架经历了受拉到受压的过程，这是由于隧道开挖后经历偏压卸载到承受支撑载荷的过程。

图5隧道初支钢拱架弯矩变化规律曲线

2.3隧道施工对边坡稳定的影响分析

图6为隧道施工引发的边坡水平位移变化情况，

根据水平位移的变化曲线可将边坡的变形过程划分为4个阶段：①上台阶开挖后边坡水平位移的匀速增大阶段；②中台阶开挖后水平位移进一步加速增长阶段；③下台阶及仰拱开挖后，水平位移迅速增大并破坏阶段；④仰拱封闭成环后边坡水平位移逐步稳定阶段。从边坡实际变形测试结果来看，最大水平位移达到110mm以上，坡脚BPS1的水平位移最大，坡顶BPS4的水平位移值最小。3

结语

1）隧道拱顶沉降和两帮收敛的增速与施工密切相关，隧道施工引起隧道变形增大，仰拱封闭成环，隧道变形就逐渐趋于稳定。

2）隧道围岩与初支的接触压力是动态变化的，接触压力以左拱脚处为最大，右拱脚次之，右拱腰处为最

图6

边坡水平位移与隧道施工的变化规律

小，

当初次衬砌封闭成环后，接触压力逐渐趋于稳定；钢拱架弯矩与围岩接触压力不同，弯矩在右拱腰处为最大，左拱腰次之，仰拱和左右边墙处均较小；隧道施工应加强两侧拱脚区域的支护强度。

3）边坡水平位移随隧道施工的变化可以分为四个阶段，上中下台阶施工则水平位移增速加快，停止施工则水平位移增速减缓，仰拱封闭后，水平位移逐步稳定在110mm左右。

参考文献：

1］《中国公路学报》编辑部.中国隧道工程学术研究综述·2015

［J］.中国公路学报，2015，28（5）：1-65.

2］王书刚，李术才，王刚，王向刚，林春金.浅埋偏压隧道洞口施

工技术及稳定性分析研究［J］.岩土力学，2006，27（S1）：364-368.

3］刘小军，张永兴.浅埋偏压隧道洞口段合理开挖工序及受力

特征分析［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（S1）：3066-3073.

4］雷明锋，彭立敏，施成华，等.浅埋偏压隧道衬砌受力特征及

破坏机制试验研究［J］.中南大学学报（自然科学版），2013，44（8）：3316-3325.

5］谢红强，何川，林刚.开挖工况对偏压连拱隧道结构及上覆山

体稳定性的影响［J］

.现代隧道技术，2007（1）：32-36.6］时林坡，孟杰，付倩.潜埋富水偏压隧道施工稳定控制分析

［J］.施工技术，2018，47（S1）：649-653.

7］付大喜.浅埋偏压隧道施工方案优化及受力变形特性分析

［J］.施工技术，2017，46（S1）：702-706.

8］李跃强.浅埋偏压大断面隧道洞口段开挖顺序优化［J］.公

路，

2018，63（2）：286-291.9］肖剑秋.公路偏压隧道量测与有限元模拟分析［J］.铁道科学

与工程学报，

2011，8（1）：82-86.10］戴培义，白明禄.浅埋偏压隧道下穿公路的监测控制研究

［J］.铁道建筑技术，2016（6）：60-63.

11］姜明才，钟祖良，刘新荣，等.浅埋小净距偏压隧道信息化监

测与稳定性分析［J］.地下空间与工程学报，2010，6（S1）：1465-1469.

12］王珏.浅埋双侧偏压小净距隧道开挖稳定性分析［J］.公路交

通技术，

2015（5）：93-96.13］候瑞彬，申玉生，陈明奎.基于强度折减法的浅埋偏压小净距

隧道围岩稳定性分析［J］

.铁道标准设计，2014（4）：55-60.［［［［［［［［［［［［［