軟弱圍巖隧道超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)及質(zhì)量檢測(cè)

1 概述

軟弱圍巖隧道，施工條件困難，若遇到埋深淺的情況，更需要制定切實(shí)可行的施工技術(shù)方案，謹(jǐn)慎掘進(jìn)，以保證隧道施工安全和質(zhì)量，確保施工進(jìn)度。在隧道施工期間施行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)是隧道重大風(fēng)險(xiǎn)事故控制的有效手段，是加強(qiáng)工程安全質(zhì)量管理，防止重大事故發(fā)生的有力措施，在隧道施工中必須堅(jiān)決的貫徹執(zhí)行。

塔韓鐵路全線有兩座隧道:張家渠隧道和趙家灣隧道，隧址所處的地貌單元為低山丘陵區(qū)，隧道行經(jīng)地帶植被稀疏，多為固定、半固定沙地覆蓋。隧道工點(diǎn)范圍內(nèi)出露的地層為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積粉細(xì)砂層(Qeol4)、細(xì)砂層(Qel+dl4)，下伏地層巖性為白堊系下統(tǒng)砂巖(K1)。本區(qū)地下水類型為基巖孔隙、裂隙水，主要含水地層為基巖風(fēng)化層。地下水主要儲(chǔ)存于巖石孔隙及裂隙內(nèi)。全線隧道地質(zhì)條件差，埋深淺，圍巖基本上以Ⅴ級(jí)圍巖為主。

根據(jù)設(shè)計(jì)，Ⅴ級(jí)加強(qiáng)圍巖初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚23 cm;格柵鋼架閉合環(huán)，間距100 cm;二襯厚度40 cm，C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可及時(shí)提供隧道掘進(jìn)方向前方的地質(zhì)及含水性情況，進(jìn)行圍巖工程級(jí)別劃分，讓施工單位能夠根據(jù)前方地質(zhì)情況制定相應(yīng)的施工方案和防范措施，確保施工的順利進(jìn)行;為設(shè)計(jì)變更提供工程地質(zhì)依據(jù);同時(shí)為業(yè)主動(dòng)態(tài)掌握隧道整體施工情況，加強(qiáng)安全質(zhì)量管理提供了有力保障。

2．1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)

整體而言，塔韓鐵路隧道巖性單一，根據(jù)《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南》(鐵建設(shè)［2008］105號(hào))規(guī)定和地質(zhì)災(zāi)害對(duì)隧道施工安全的危害程度，本線隧道地質(zhì)復(fù)雜程度分級(jí)可定為中等復(fù)雜:隱伏裂隙發(fā)育帶、軟弱帶，存在中、小型突水突泥地段，較大物探異常地段等。據(jù)此確定超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì):采用地質(zhì)分析法、中長(zhǎng)距離地震波法、地質(zhì)雷達(dá)，輔以紅外探測(cè)［1］。

隧道進(jìn)洞階段采用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)為主，該方法是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同來判斷前方傳播介質(zhì)的變化。介質(zhì)介電常數(shù)的差異決定了電磁波反射的強(qiáng)弱程度和其相位的正負(fù)。巖性、構(gòu)造、風(fēng)化程度及其含水量的變化將影響其介電常數(shù)。

地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)選用美國(guó)SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)，100 MHz天線采集參數(shù)為:采集方式為連續(xù)測(cè)量，每掃描采樣數(shù)為512，采集時(shí)窗為350 ns，采用64次迭加，設(shè)定介電常數(shù)為6。

2．2 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)

下文通過對(duì)于趙家灣隧道出口端掌子面DK63+010的超前預(yù)報(bào)，描述地質(zhì)雷達(dá)法超前預(yù)報(bào)過程。隧道設(shè)計(jì)施工圖中該段巖性(DK63+010～DK62+985)為全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖，局部有風(fēng)積砂，圍巖級(jí)別為Ⅵ級(jí)。

掌子面地質(zhì)情況:圍巖為細(xì)砂巖，褐黃色，全～強(qiáng)風(fēng)化，層理節(jié)理發(fā)育，結(jié)合性差，巖體破碎，巖質(zhì)極軟弱，遇水泥化，局部裂隙水發(fā)育，完整性差，Ⅴ級(jí)圍巖。

測(cè)線布置:掌子面DK63+010垂直和水平各布置1條測(cè)線，重復(fù)采集2次，探測(cè)掌子面前方25 m范圍內(nèi)的地質(zhì)變化狀況。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)在掌子面探測(cè)數(shù)據(jù)圖像分析，掌子面前方25 m(DK63+010～DK62+985)范圍內(nèi)電磁波反射波明顯，振幅大，同向軸連續(xù)，右側(cè)區(qū)域高頻衰減明顯，推測(cè)前方圍巖分層明顯，巖體軟弱破碎，層理節(jié)理發(fā)育，局部裂隙水發(fā)育，巖體完整性差。

據(jù)此，可以推定掌子面DK63+010前方25 m范圍內(nèi)(DK63+010～DK62+985)，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，建議按Ⅴ級(jí)圍巖施工，必要時(shí)加強(qiáng)超前支護(hù)。

2．3 超前預(yù)報(bào)建議

根據(jù)超前預(yù)報(bào)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查建議:進(jìn)洞時(shí)應(yīng)注意施工工序，采用三臺(tái)階開挖法，謹(jǐn)慎掘進(jìn);開挖過程嚴(yán)格遵循“管超前、短開挖、嚴(yán)注漿、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉、快襯砌”的施工原則;管棚施工中請(qǐng)注意控制管棚施工質(zhì)量，特別注意控制插入仰角。施工中控制超欠挖，必要時(shí)加強(qiáng)超前支護(hù)，開挖后及時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)，確保噴層質(zhì)量和鎖腳錨管施工質(zhì)量。重視裂隙水危害，積極引排，防止基底泡水，軟化，必要時(shí)設(shè)置臨時(shí)仰拱。

3 監(jiān)控量測(cè)

在隧道施工期間實(shí)施監(jiān)測(cè)，引入監(jiān)測(cè)制度，是加強(qiáng)工程安全質(zhì)量管理，防止重大事故發(fā)生的有力措施。通過監(jiān)測(cè)工作為業(yè)主提供及時(shí)、可靠的信息用以評(píng)定隧道工程在施工期間的安全性，并對(duì)可能發(fā)生危及安全的隱患或事故及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)，以便及時(shí)采取有效措施，避免事故發(fā)生的同時(shí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工”的根本目的。

3．1 量測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)布置

本項(xiàng)目主要進(jìn)行四個(gè)必測(cè)項(xiàng)目:1)洞內(nèi)、外觀察;2)拱頂下沉;3)周邊收斂;4)地表沉降。

周邊位移每臺(tái)階布置1條收斂測(cè)線，本線隧道進(jìn)洞階段采用三臺(tái)階開挖，周邊收斂布置3條測(cè)線，拱頂下沉每個(gè)斷面布置1個(gè)～3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置里程一致，地表下沉每斷面布置7個(gè)～9個(gè)測(cè)點(diǎn)。周邊收斂可采用兩種方法進(jìn)行:1)鋼尺收斂計(jì)直接讀數(shù);2)測(cè)點(diǎn)位置粘貼放光片，全站儀非接觸量測(cè)。拱頂下沉采用粘貼放光片，全站儀非接觸量測(cè)。地表下沉采用水準(zhǔn)儀器配測(cè)微器進(jìn)行。

隧道監(jiān)控量測(cè)貫穿整個(gè)施工過程，重點(diǎn)主要為三個(gè)方面:1)根據(jù)開挖情況緊跟開挖面埋設(shè)測(cè)點(diǎn);2)根據(jù)圍巖特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)上臺(tái)階水平收斂測(cè)線和拱頂下沉進(jìn)行量測(cè);3)關(guān)注監(jiān)測(cè)斷面相應(yīng)的下臺(tái)階及仰拱開挖對(duì)收斂和拱頂下沉的影響。

3．2 隧道穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)文件確定隧道穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)。

1)實(shí)測(cè)最大值或回歸預(yù)測(cè)值最大值應(yīng)不大于允許值或設(shè)計(jì)最大值，根據(jù)設(shè)計(jì)文件Ⅳ級(jí)圍巖預(yù)留變形量為5 cm～8 cm，Ⅴ級(jí)、Ⅵ級(jí)圍巖預(yù)留變形量為8 cm～12 cm。

2)根據(jù)位移速率判別:當(dāng)周邊位移速率小于0．10 mm/d～0．20 mm/d時(shí)或拱頂下沉速率小于 0．07 mm/d～0．15 mm/d時(shí)，則認(rèn)為圍巖位移達(dá)到基本穩(wěn)定;當(dāng)周邊位移或拱頂下沉速率大于1．0 mm/d時(shí)，表明位移不穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè);當(dāng)周邊位移或拱頂下沉速率大于5．0 mm/d時(shí)，圍巖處于急劇變化狀態(tài)，應(yīng)報(bào)警，進(jìn)行加固。

3．3 量測(cè)過程

趙家灣隧道起訖里程為DK61+160～DK63+085，全長(zhǎng)1 925 m，出口端明暗交接里程為DK63+010，出口端6月底管棚施工完成并開始進(jìn)洞。

洞內(nèi)、外觀察:圍巖為細(xì)砂巖，褐黃色，全～強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理層理發(fā)育，結(jié)合性差，局部裂隙水發(fā)育，巖質(zhì)極軟弱，完整性差，Ⅴ級(jí)圍巖。

1)階段一:上臺(tái)階開挖，量測(cè)結(jié)果基本正常，量測(cè)數(shù)據(jù)未超過規(guī)范和設(shè)計(jì)值規(guī)定。

周邊收斂速度為 －0．74 mm/d～ －1．40 mm/d，其中監(jiān)測(cè)斷面DK63+000(L1)累計(jì)收斂最大為 －14．42 mm，拱頂下沉速度為－0．91 mm/d～ －1．13 mm/d，監(jiān)測(cè)斷面 DK63+005 累計(jì)下沉最大為－12．7 mm。地表監(jiān)測(cè)斷面DK63+000中樁D4點(diǎn)下沉速度為 －0．40 mm/d ～ －1．50 mm/d，累計(jì)下沉 －14．7 mm。

2)階段二:7月下旬下臺(tái)階開挖，量測(cè)結(jié)果變化明顯，量測(cè)速度多日超過－1．00 mm/d，初期支護(hù)出現(xiàn)裂縫。

監(jiān)測(cè)區(qū)域中臺(tái)階DK63+007～DK62+988右側(cè)發(fā)現(xiàn)有多條沿拱架可見裂縫，DK62+996左側(cè)發(fā)現(xiàn)沿拱架裂縫，監(jiān)測(cè)區(qū)域DK63+006～DK62+995有沿拱架滴滲水。

監(jiān)測(cè)區(qū)域DK63+010～DK62+985周邊收斂速度最大達(dá)到－2．11 mm/d，拱頂下沉速度最大為 －1．82 mm/d，地表下沉監(jiān)測(cè)斷面DK63+000邊樁D5點(diǎn)下沉速度最大為－1．40 mm/d，量測(cè)數(shù)據(jù)變化明顯，量測(cè)速度多日超過－1．00 mm/d。

基于此，發(fā)布監(jiān)控預(yù)警指令，掌子面停止掘進(jìn)，洞口段圍巖支護(hù)進(jìn)行注漿加固。

3)階段三:7月底，掌子面停止掘進(jìn)，初期支護(hù)裂縫區(qū)域小導(dǎo)管注漿加固，量測(cè)數(shù)據(jù)變化趨緩。

7月底對(duì)洞口段初期支護(hù)進(jìn)行注漿加固。采用φ42注漿花管，注漿材料為水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力0．6 MPa ～1．0 MPa。

監(jiān)控量測(cè)表明:注漿加固后，量測(cè)數(shù)據(jù)變化趨緩，監(jiān)測(cè)區(qū)域DK63+010～DK62+985收斂速度為 －0．38 mm/d～ －1．34 mm/d，其中監(jiān)測(cè)斷面DK63+000(L1)累計(jì)收斂最大為－22．01 mm，拱頂下沉速度為 －0．46 mm/d～ －1．16 mm/d，其中監(jiān)測(cè)斷面 DK63+005累計(jì)下沉最大為－25．9 mm。地表監(jiān)測(cè)斷面DK63+000中樁D4點(diǎn)下沉速度為 －0．40 mm/d ～ －1．30 mm/d，累計(jì)下沉 －23．1 mm，地表未見異常。

4)階段四:8月，仰拱閉合，及時(shí)進(jìn)行二襯施工。

監(jiān)測(cè)表明:隨下臺(tái)仰拱開挖，量測(cè)數(shù)據(jù)變化，監(jiān)測(cè)區(qū)域DK63+010～DK62+985收斂速度為 －0．49 mm/d～ －1．37 mm/d，其中監(jiān)測(cè)斷面DK63+000(L1)累計(jì)收斂最大為－24．75 mm;拱頂下沉速度為 －0．20 mm/d～ －1．50 mm/d，其中監(jiān)測(cè)斷面 DK63+005累計(jì)下沉最大為－28．8 mm。地表監(jiān)測(cè)斷面DK63+000中樁D4點(diǎn)下沉速度為 －0．2 mm/d～ －0．80 mm/d，累計(jì)下沉 －26．6 mm。量測(cè)數(shù)據(jù)變化正常。

至8月底，隨仰拱閉合，量測(cè)曲線變化趨緩，同時(shí)考慮到隧道局部裂隙水發(fā)育，初期支護(hù)開裂，為避免因初期支護(hù)存留時(shí)間太長(zhǎng)，圍巖支護(hù)不穩(wěn)定，導(dǎo)致支護(hù)變形量大，出口端進(jìn)行二襯施工。

4 質(zhì)量檢測(cè)

隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)主要對(duì)新建隧道的襯砌厚度、襯砌及支護(hù)后面空洞，襯砌內(nèi)部鋼架(或格柵)、鋼筋分布等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)是對(duì)施工質(zhì)量的合理評(píng)價(jià)，是保證施工質(zhì)量和工程竣工驗(yàn)收的重要手段。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，通過比較相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求對(duì)隧道施工質(zhì)量進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，并為處置病害提供依據(jù)。

4．1 檢測(cè)結(jié)果評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和判別主要特征

1)襯砌厚度檢測(cè)。由于地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)襯砌厚度存在±10%的理論誤差，檢測(cè)中以區(qū)段的實(shí)測(cè)平均值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，判定隧道襯砌厚度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求［3］。

2)鋼筋、鋼架檢測(cè)。隧道襯砌施工中，對(duì)某些軟弱圍巖段架設(shè)金屬構(gòu)件，提高襯砌的承載能力和襯砌的抗壓強(qiáng)度、韌性。金屬構(gòu)件主要包括鋼架、鋼筋和鋼筋網(wǎng)等，金屬構(gòu)件的間距、位置以及它們與圍巖接觸關(guān)系，一直是建設(shè)和施工監(jiān)理部門特別關(guān)注的質(zhì)量問題，金屬構(gòu)件的間距偏大與變形等，都會(huì)不同程度地降低襯砌支撐能力，引發(fā)質(zhì)量隱患。

鋼筋安裝允許±10 mm(拱部)或±20 mm的間距誤差;鋼架間距允許的偏差為±100 mm［3］。

襯砌內(nèi)部鋼架、鋼筋位置分布的主要判定特征應(yīng)符合下列要求:

a．鋼架:分散的月牙形反射信號(hào);b．鋼筋:連續(xù)的小雙曲線形強(qiáng)反射信號(hào)。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理時(shí)，在連續(xù)相同設(shè)計(jì)間距區(qū)段內(nèi)累計(jì)鋼筋或鋼架數(shù)量，除以區(qū)段的長(zhǎng)度，得到鋼筋或鋼架間距。鋼筋以間距值進(jìn)行評(píng)判，鋼架以榀/米進(jìn)行評(píng)判。

3)襯砌背后回填情況檢測(cè)。襯砌脫空分為兩種類型，即襯砌內(nèi)部空洞和襯砌與圍巖脫空。隧道襯砌施工中，振搗不均勻、回填不徹底或回填雜物，都會(huì)產(chǎn)生不密實(shí)，因振搗不均勻引起的不密實(shí)，稱灌注不密實(shí);因回填不徹底或回填雜物引起的不密實(shí)，稱回填不密實(shí)。前者多發(fā)生于襯砌內(nèi)部，后者多發(fā)生于襯砌背部。

襯砌內(nèi)部積水和襯砌背部圍巖含水，都會(huì)對(duì)隧道襯砌質(zhì)量造成影響。襯砌內(nèi)部積水不但對(duì)襯砌層具有溶蝕作用，而且還會(huì)在冬季結(jié)冰，體積膨脹，擠壓甚至擠壞襯砌層;襯砌背部含水，無論是溶洞水還是構(gòu)造水，對(duì)襯砌層都具有沖刷、溶蝕作用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致襯砌變形、破裂和坍塌等。

依據(jù)《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)規(guī)程》的規(guī)定，襯砌背后回填密實(shí)度的主要判定特征應(yīng)符合下列要求:

a．密實(shí):信號(hào)幅度較弱，甚至沒有界面反射信號(hào);b．不密實(shí):襯砌界面的強(qiáng)反射信號(hào)同軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散;c．空洞:襯砌界面反射信號(hào)強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大［4］。

實(shí)測(cè)時(shí)按不密實(shí)、積水、空洞(脫空)及模板間脫空四種類型，給定襯砌背后回填缺陷情況。

4．2 檢測(cè)方法及過程

隧道質(zhì)量檢測(cè)以地質(zhì)雷達(dá)法為主，檢測(cè)儀器采用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)，配屬天線400 MHz，900 MHz。

雷達(dá)檢測(cè)測(cè)線以縱向布置為主，包括拱頂測(cè)線一條，左右拱腰和拱腳各一條，仰拱測(cè)線一條，共6條測(cè)線?？紤]到要檢測(cè)圍巖情況，測(cè)試中以400 MHz天線為主，局部襯砌病害檢測(cè)采用900 MHz天線。在檢測(cè)中，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)情況適當(dāng)增加測(cè)線密度和橫向布線以控制異常位置，來確保檢測(cè)精度和準(zhǔn)確性。除邊墻和仰拱測(cè)線人工可直接操作外，其余測(cè)線的測(cè)量必須通過鏟車焊接檢測(cè)平臺(tái)配合。

4．3 檢測(cè)結(jié)論

雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)必須經(jīng)過有效的數(shù)據(jù)處理。通過切除首尾段、方向調(diào)整等工作，根據(jù)分析處理目的對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析、濾波(壓制干擾信號(hào)，提高數(shù)據(jù)的信噪比)、反褶積(壓制多次反射波，提高信號(hào)分辨率)和小波變換(增強(qiáng)相關(guān)性較好的弱信號(hào))，反復(fù)使用不同參數(shù)進(jìn)行處理，達(dá)到層位、缺陷清晰可見的效果。然后根據(jù)介電常數(shù)，確定襯砌厚度，進(jìn)行缺陷分析等工作，最終輸出成果。

根據(jù)施工進(jìn)度，塔韓鐵路全線張家渠隧道和趙家灣隧道實(shí)時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)和二次襯砌質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明:1)根據(jù)隧道襯砌厚度實(shí)測(cè)結(jié)果分析，隧道檢測(cè)段二次襯砌的波阻特征連續(xù)，襯砌厚度基本符合設(shè)計(jì)要求。2)本次隧道檢測(cè)段二襯和初期支護(hù)鋼筋、鋼筋網(wǎng)和鋼架分布符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

塔韓鐵路全線的兩座隧道地質(zhì)條件差，圍巖軟弱，埋深淺，施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，在施工開始前就將超前預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)引入了整個(gè)施工過程，視作正常施工工序的一部分，檢測(cè)成果實(shí)時(shí)反饋，有力指導(dǎo)了施工，目前兩座隧道施工安全有序，質(zhì)量可控。根據(jù)檢測(cè)成果，可以得出以下結(jié)論:

1)軟弱淺埋圍巖隧道應(yīng)堅(jiān)持“管超前、短開挖、嚴(yán)注漿、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉、快襯砌”的施工原則，注意鎖腳錨管施工質(zhì)量，控制超挖，開挖后及時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)，確保噴層質(zhì)量。同時(shí)仰拱應(yīng)盡早閉合，二襯及時(shí)跟進(jìn)。

2)超前預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)是確保隧道施工安全和質(zhì)量，保證施工進(jìn)度，降低施工風(fēng)險(xiǎn)的有力措施，應(yīng)貫穿隧道施工的整個(gè)過程。

［1］鐵建設(shè)［2008］105號(hào)，鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南［S］．

［2］TB 10121-2007，鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程［S］．

［3］TB 10417-2003，鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［4］TB 10223-2004，鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)規(guī)程［S］．