山嶺隧道圍巖分級(jí)超前預(yù)報(bào)新方法研究*

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(中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司1)　天津　300461)

(中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)　武漢　430071)

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山嶺隧道圍巖分級(jí)超前預(yù)報(bào)新方法研究*

張?jiān)贫?)王浩2)張國(guó)華2)

(中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司1)天津300461)

(中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)武漢430071)

摘要：針對(duì)巖漿巖、變質(zhì)巖等硬質(zhì)巖地區(qū)的隧道，在無(wú)不良地質(zhì)的情況下，由于結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度不同而導(dǎo)致圍巖實(shí)際級(jí)別與設(shè)計(jì)級(jí)別不一致的區(qū)段，提出了以掌子面的結(jié)構(gòu)面線密度快速判斷掌子面圍巖級(jí)別，然后根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果對(duì)掌子面前方一定距離的圍巖級(jí)別進(jìn)行定性與定量綜合判斷的方法．將上述方法應(yīng)用于在建京臺(tái)高速公路的巖前隧道和八外洋2#隧道的8個(gè)受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度控制的圍巖級(jí)別變更斷面的結(jié)果表明，上述方法對(duì)由于結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度不同而導(dǎo)致的圍巖級(jí)別變更預(yù)報(bào)有較高的可靠性，對(duì)后續(xù)的隧道施工具有較好的指導(dǎo)意義．

關(guān)鍵詞：地質(zhì)調(diào)查 ；地質(zhì)雷達(dá)；超前預(yù)報(bào)；圍巖分級(jí)

張?jiān)贫?1988- ) ：男，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)樗淼朗┕こ暗刭|(zhì)預(yù)報(bào).

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：41172287，51139004)

0引言

隧道圍巖分級(jí)是隧道設(shè)計(jì)、施工的依據(jù)．由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變,勘察精度有限，地質(zhì)不確定因素又很多,常常使得原設(shè)計(jì)的支護(hù)方案與施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要的支護(hù)方案有一定的出入[1-2]．在施工階段,由于隧道開(kāi)挖,各種地質(zhì)問(wèn)題暴露無(wú)遺,可獲得更多在設(shè)計(jì)階段不能獲得的地質(zhì)資料．對(duì)于由不良地質(zhì)如斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶等造成隧道圍巖級(jí)別變更是容易判斷的，但在不存在不良地質(zhì)的情況下，尤其是巖漿巖及變質(zhì)巖地區(qū)的長(zhǎng)隧道，某些地段由于結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度不同而導(dǎo)致圍巖實(shí)際級(jí)別比設(shè)計(jì)的好或差，因此需要根據(jù)掌子面信息及超前探測(cè)結(jié)果的分析，及時(shí)對(duì)掌子面前方一定距離的圍巖級(jí)別做出合理可靠的預(yù)報(bào)，以及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，從而滿足信息化施工的要求．

隧道各圍巖級(jí)別均有一定的結(jié)構(gòu)面體密度差異，這種差異體現(xiàn)在掌子面上就是結(jié)構(gòu)面有一定的間距特征，也即有一定的結(jié)構(gòu)面線密度特征，體現(xiàn)在地質(zhì)雷達(dá)上的定性特征是隨圍巖變差，波幅變化增大，同相軸連續(xù)性變差，波形錯(cuò)段、分叉增多，同相軸數(shù)量增多；因此對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的解譯一方面通過(guò)對(duì)波形圖的波幅變化、同相軸連續(xù)性、波形的錯(cuò)斷、分叉等現(xiàn)象進(jìn)行定性判斷[3-7]，另一方面需要對(duì)一定范圍的同相軸數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后綜合以上兩方面信息對(duì)掌子面前方圍巖級(jí)別進(jìn)行定性或定量的評(píng)價(jià)．

基于上述認(rèn)識(shí)，對(duì)于硬質(zhì)的巖漿巖和變質(zhì)巖，在巖性基本不變時(shí)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以根據(jù)掌子面結(jié)構(gòu)面的線密度特征及地質(zhì)雷達(dá)定性和定量的解譯對(duì)前方一定距離的圍巖級(jí)別做出較準(zhǔn)確的判斷，為后續(xù)的施工及圍巖級(jí)別變更等提供指導(dǎo)依據(jù)．

1工程概況及場(chǎng)區(qū)結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況

京臺(tái)高速公路(南平段)的巖前隧道(左線ZK30+535～ZK37+330，共6 795 m；右線YK30+550～YK37+335，共6 785 m)，八外洋2#隧道(左線ZK29+735～ZK30+437，共702 m；YK29+700～YK30+400，共700 m)，均采用雙洞分離式隧道方案，按雙向4車道公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，兩個(gè)隧道的圍巖全部為變質(zhì)巖中的云母石英片巖，屬堅(jiān)硬巖．

隧址區(qū)地處閩西北隆起帶、閩東火山斷拗帶的次級(jí)構(gòu)造單元松溪～建溪拗陷帶，北東向及北北東向構(gòu)造發(fā)育，并且歷經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及火山巖漿活動(dòng)．地層產(chǎn)狀進(jìn)口段270°∠22°，中間段300°∠25°，出口段18°∠25°．

結(jié)合前人工作成果及隧道20個(gè)掌子面的結(jié)構(gòu)面實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，場(chǎng)區(qū)發(fā)育6組結(jié)構(gòu)面，具體結(jié)構(gòu)面走向玫瑰圖見(jiàn)圖1～2．

圖1　前人各走向結(jié)構(gòu)面發(fā)育密度統(tǒng)計(jì)成果

圖2　實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖1、圖2可見(jiàn)，2張結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，差別在于場(chǎng)區(qū)發(fā)育較好走向約為310°的一組結(jié)構(gòu)面未在結(jié)構(gòu)面密度走向玫瑰圖中反映出來(lái)，但其結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況在實(shí)測(cè)結(jié)果圖2中得到了很好反映，其發(fā)育密度從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，應(yīng)該是2～3條，因而在做超前預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)注意此組結(jié)構(gòu)面的影響．各組結(jié)構(gòu)面的具體產(chǎn)狀如下: 168°(348°)∠90°，45°∠76°，196°(16°)∠82°，60°∠65°，256°(76°)∠75°，130°(310°)∠28°．

2圍巖分級(jí)預(yù)報(bào)方法

2.1掌子面圍巖快速分級(jí)

對(duì)于硬質(zhì)的云母石英片巖，在地下水較少、風(fēng)化微弱、圍巖級(jí)別主要受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度控制時(shí)，參照各種圍巖分級(jí)方法[8]及文獻(xiàn)[9-10]中各級(jí)圍巖對(duì)結(jié)構(gòu)面間距的劃分并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖的結(jié)構(gòu)面線密度的統(tǒng)計(jì)分析(見(jiàn)圖3)，

圖3?、艏?jí)圍巖的線密度分布特征

可認(rèn)為硬質(zhì)的云母石英片巖的各級(jí)圍巖結(jié)構(gòu)面線密度有如下特征，見(jiàn)表1．

表1　各級(jí)圍巖的結(jié)構(gòu)面及完整性特征一覽表

在掌子面圍巖分級(jí)時(shí)，可以測(cè)線法得到掌子面巖體的結(jié)構(gòu)面線密度，進(jìn)而結(jié)合上表1劃分掌子面圍巖級(jí)別．

2.2各等級(jí)圍巖的地質(zhì)雷達(dá)波譜響應(yīng)特征

探測(cè)中所使用的地質(zhì)雷達(dá)是美國(guó)GSSI公司產(chǎn)SIR-20地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集使用的是100 MHz接地耦合天線，采用時(shí)間觸發(fā)的連續(xù)測(cè)量，每秒掃描100次；通過(guò)對(duì)場(chǎng)區(qū)前期的探測(cè)結(jié)果與開(kāi)挖結(jié)果的對(duì)比表明，介電常數(shù)取6比較合適，從實(shí)際探測(cè)效果來(lái)看，波形疊加16 次的效果比較好，在不存在重大干擾的情況下，數(shù)據(jù)處理盡量采用相同或類似的方式．

2.2.1各級(jí)別圍巖的同相軸形態(tài)特征

由于根據(jù)掌子面圍巖的分級(jí)對(duì)掌子面前方5 m之內(nèi)的圍巖級(jí)別預(yù)報(bào)[11]是比較準(zhǔn)確的．因而，首先對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度5 m內(nèi)信號(hào)的特征，如同相軸連續(xù)性、波幅的變化、是否有分叉、錯(cuò)段等不良特征進(jìn)行分析，然后對(duì)5 m之外的信號(hào)進(jìn)行同樣的分析，最后將5 m之內(nèi)的信號(hào)特征與5 m之外的信號(hào)特征進(jìn)行比較．圍巖向好或向差的判斷依據(jù)是：圍巖越差，波形連續(xù)性越差(同相軸越短)，波幅變化增大，波形分叉、錯(cuò)段等現(xiàn)象越多．可根據(jù)5 m內(nèi)外的同相軸形態(tài)特征大致判斷探測(cè)深度內(nèi)的每一段圍巖相對(duì)掌子面的好壞．

2.2.2各級(jí)別圍巖的同相軸數(shù)量特征

在波形圖增益調(diào)整至同相軸清晰，又不出現(xiàn)同相軸互相重疊或稍有重疊的情況下，通過(guò)對(duì)場(chǎng)區(qū)前期的Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖共119張地質(zhì)雷達(dá)線掃描圖片的同相軸數(shù)量特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)方法如下：(1)統(tǒng)計(jì)窗口深度為20 m，寬度為50個(gè)掃描信號(hào)．(2)統(tǒng)計(jì)大于或等于連續(xù)4個(gè)掃描的可識(shí)別同相軸數(shù)量，(錯(cuò)段的，分叉的，合并的各增加計(jì)數(shù)一次)．統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2　各級(jí)圍巖同相軸數(shù)量分布表

以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，隨圍巖變差，同相軸數(shù)量增多，其增多原因主要是由于波形連續(xù)性變差，錯(cuò)段及分叉現(xiàn)象增多造成的，與定性分析結(jié)果是一致的．

3應(yīng)用實(shí)例

巖前隧道和八外洋2#隧道圍巖均存在由于勘察階段對(duì)圍巖完整性評(píng)價(jià)不足或過(guò)度而導(dǎo)致的開(kāi)挖與設(shè)計(jì)不符的情況，因而需要根據(jù)掌子面地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果對(duì)圍巖等級(jí)進(jìn)行合理、可靠的預(yù)報(bào)．

在掌子面上下布置2條各10 m的測(cè)線A1和A2，統(tǒng)計(jì)通過(guò)測(cè)線的結(jié)構(gòu)面條數(shù)；隨后用地質(zhì)雷沿測(cè)線A1和A2各掃描一次，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析．

以下對(duì)8個(gè)典型圍巖變更斷面的掌子面圍巖級(jí)別及地質(zhì)雷達(dá)圍巖級(jí)別預(yù)報(bào)的具體分析，綜合分析成果見(jiàn)表3.

4討論與分析

4.1預(yù)報(bào)結(jié)果與開(kāi)挖結(jié)果的綜合對(duì)比分析

從以上綜合對(duì)比表中掌子面圍巖級(jí)別的劃分結(jié)果與最終的圍巖支護(hù)級(jí)別可看出，在云母石英片巖中，當(dāng)?shù)叵滤^少、圍巖風(fēng)化微弱，圍巖分級(jí)受結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度控制時(shí),采用掌子面結(jié)構(gòu)面的線密度指標(biāo)可以對(duì)掌子面圍巖的級(jí)別做出合理、可靠的劃分．此方法是將各種隧道圍巖分級(jí)方法綜合靈活應(yīng)用的典型，且取得了較好的效果．

從地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的定性與定量預(yù)報(bào)與開(kāi)挖之后圍巖的實(shí)際支護(hù)級(jí)別的對(duì)比可以看出，定性結(jié)果與開(kāi)挖結(jié)果符合的很好，能反映前方圍巖相對(duì)掌子面圍巖向好或向差；依據(jù)統(tǒng)計(jì)窗口的同相軸數(shù)量對(duì)掌子面前方圍巖級(jí)別的劃分存在一定的偏差(如4、6號(hào)斷面)，出現(xiàn)此偏差的原因一方面可能是掌子面周圍鐵質(zhì)物質(zhì)如臺(tái)車及周圍電流產(chǎn)生的電磁波干擾有關(guān)，另一方面是結(jié)構(gòu)面的走向與隧道走向小角度相交，接收到的反射信號(hào)較少，因此為提高探測(cè)結(jié)果的可靠性，一方面應(yīng)盡量將臺(tái)車及電線等干擾源遠(yuǎn)離掌子面，另一方面是在條件允許時(shí)，應(yīng)多掃描幾條測(cè)線．

因此根據(jù)掌子面的地質(zhì)信息及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的定性與定量解釋結(jié)果結(jié)合起來(lái)，更能對(duì)前方圍巖的級(jí)別給出合理且可靠性較高的評(píng)價(jià)．

4.2掌子面結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響

從以上第4和7斷面同相軸數(shù)量與開(kāi)挖支護(hù)的圍巖的不符情況可看出：上述兩個(gè)斷面的共同特點(diǎn)是掌子面發(fā)育的均是走向?yàn)?10°的結(jié)構(gòu)面，而此組結(jié)構(gòu)面從前面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看在場(chǎng)區(qū)很發(fā)育，且在兩個(gè)斷面上的結(jié)構(gòu)面走向與隧道軸線的夾角在兩個(gè)斷面處均小于30°．由于結(jié)構(gòu)面與隧道軸線交角越小，同樣長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)面在掌子面上的投影就越短，而且在掌子面前方一定距離內(nèi)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)面可能也增多，因而地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)到的由結(jié)構(gòu)面反射形成的同相軸會(huì)變短，同相軸數(shù)量也會(huì)變多，所以探測(cè)結(jié)果與實(shí)際有所偏離．因而當(dāng)出現(xiàn)發(fā)育好的一組結(jié)構(gòu)面與隧道軸線小角度相交這種情況時(shí)，對(duì)于前方圍巖級(jí)別的判斷還要結(jié)合5 m內(nèi)外的波形變化、波幅特征等定性分析特征，才能做出合理且可靠的判斷．因而出現(xiàn)偏差的原因據(jù)此可以推測(cè)是由于結(jié)構(gòu)面發(fā)育好且與隧道軸線小角度相交造成的．

4.3不足之處

掌子面圍巖快速分級(jí)及圍巖的地質(zhì)雷達(dá)定性與定量級(jí)別預(yù)報(bào)適用性較好，但依據(jù)統(tǒng)計(jì)窗口的同相軸數(shù)量對(duì)圍巖進(jìn)行分級(jí)，有一定的實(shí)用性；其不足之處主要是地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)測(cè)量時(shí)，反射面容易受天線移動(dòng)速度的影響而被拉長(zhǎng)或縮短，導(dǎo)致符合統(tǒng)計(jì)要求的同相軸的數(shù)量必然會(huì)受到一定的影響，所以同相軸數(shù)量的分析可以作為一個(gè)參考依據(jù)，需要結(jié)合定性分析的結(jié)果，才能對(duì)前方圍巖的級(jí)別給出合理且可靠的判斷．

5結(jié)論

1) 當(dāng)硬質(zhì)圍巖級(jí)別主要受結(jié)構(gòu)面控制時(shí)，使用掌子面的結(jié)構(gòu)面線密度指標(biāo)并結(jié)合場(chǎng)區(qū)結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果能夠?qū)φ谱用鎳鷰r級(jí)別進(jìn)行合理、可靠的劃分，而且測(cè)量簡(jiǎn)便、易行、速度快，少占用掌子面施工時(shí)間．因而在對(duì)掌子面圍巖進(jìn)行劃分時(shí)，要抓住影響分級(jí)的關(guān)鍵因素，靈活運(yùn)用各種圍巖分級(jí)方法．

表3　綜合成果對(duì)比表

2) 當(dāng)使用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)掌子面前方圍巖的級(jí)別進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，使用定性及定量相結(jié)合的方式并結(jié)合掌子面圍巖劃分結(jié)果，能夠?qū)η胺揭欢ň嚯x的圍巖級(jí)別給出比較可靠的預(yù)報(bào)，可以為隧道施工提供很好的指導(dǎo)依據(jù)．

3) 上述方法在變質(zhì)巖區(qū)及巖漿巖區(qū)應(yīng)該都有較好的適用性，對(duì)于沉積巖地層的適用性需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的總結(jié)及驗(yàn)證．

參 考 文 獻(xiàn)

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New Forecast Method of Surround

Rock Classification of Mountain Tunnel

ZHANG Yundong1)WANG Hao2)ZHANG Guohua2)

(CCCCTianjinPortandWaterwayProspectingandDesignResearchInstitute,

Tianjin300461，China)1)(StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,

InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071，China)2)

Abstract：Aiming at igneous rock and metamorphic rock which is hard, when there is no disadvantageous geological phenomenon, because of the development of the structural surface level is different, so it may lead to the actual surround rock grade inconsistencies in the design grade in some sections. In these cases we can quickly determine the surrounding rock grade of heading face by the density of the structure surface. Then we can conjecture the grade of surrounding rock in front of the heading face according to the detection result of the geological radar and the information of the heading face. The application of the way in Yanqian and Bawaiyang 2# tunnel whose surrounding rock grade need to be changed because of the design is not agreed with the reality whose surrounding rock grade is controlled by structure surface, the ten application result indicate that the way is reliable in judging the surrounding rock grade of heading face and a certain distance ahead of it. It can provide important guidance for following construction.

Key words：geology survey； geological radar； ahead forecast of heading face； the grade of surrounding rock

收稿日期：2015-10-18

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.027

中圖法分類號(hào)：U456.3+3