明月山公路隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與圍巖變形監(jiān)控量測(cè)研究

王　偉, 徐林生, 夏英宣,2, 陳國(guó)福

(1. 重慶交通大學(xué), 重慶 400074； 2. 重慶市江北區(qū)交委, 重慶 400025;

3. 重慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心, 重慶 400020)

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明月山公路隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與圍巖變形監(jiān)控量測(cè)研究

王偉1, 2, 徐林生1, 夏英宣1,2, 陳國(guó)福3

(1. 重慶交通大學(xué), 重慶 400074； 2. 重慶市江北區(qū)交委, 重慶 400025;

3. 重慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心, 重慶 400020)

【摘要】根據(jù)明月山隧道地勘資料預(yù)計(jì)可能存在的主要地質(zhì)問(wèn)題，采取以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，針對(duì)不同圍巖段落以超前鉆探法為主，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)短距離探測(cè)和TGP長(zhǎng)距離探測(cè)相印證的物探方法，進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；結(jié)合施工實(shí)踐，對(duì)該隧道的地表沉降、拱頂下沉及水平位移收斂、錨桿軸力、鋼架內(nèi)力及外力等進(jìn)行跟蹤監(jiān)控量測(cè)與分析研究工作，為該隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工提供了有效的科學(xué)決策依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】隧道；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；監(jiān)控量測(cè)；動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工

明月山隧道位于重慶市江北區(qū)境內(nèi)，是連接復(fù)盛鎮(zhèn)與五寶鎮(zhèn)的重要交通干道，隧道全長(zhǎng)2 415 m，屬長(zhǎng)隧道，按二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h。

隧道沿線地形、地貌為構(gòu)造剝蝕低山、丘陵地貌單元，跨越大盛場(chǎng)向斜、明月峽背斜、洛磧向斜，最高海拔667.30 m，中部形成巖溶槽谷，兩側(cè)地形陡峭，為丘陵地貌(圖1)。隧道主要穿越第四系堆積層、侏羅系上沙溪廟組及三疊系嘉陵江組地層，巖層為：粉質(zhì)黏土、泥巖和砂巖、白云巖和灰?guī)r等，巖溶主要發(fā)育在底部白云質(zhì)灰?guī)r與嘉陵江組薄層灰?guī)r接觸部位。隧道穿越地區(qū)發(fā)育有滴水巖斷層帶，滴水巖斷層帶由

三個(gè)同向斷層疊加組成，位于明月山背斜軸部，斷層走向與背斜軸線一致，傾向南東，傾角40°～70°，形成寬100～150 m的破碎帶。且該區(qū)域?qū)匍L(zhǎng)江水系，淺層地下水豐富，主要為裂隙水，預(yù)計(jì)最大水量約2 000 m3/d。

圖1　明月山公路隧道工程縱剖面

地勘資料反應(yīng)出該隧道地質(zhì)水文條件較為復(fù)雜，對(duì)后期施工影響較大，為確保施工安全和質(zhì)量，及時(shí)準(zhǔn)確掌握隧道地質(zhì)情況，為隧道施工管理者決策提供科學(xué)依據(jù)，該隧道建設(shè)單位與施工單位分別委托了第三方機(jī)構(gòu)對(duì)隧道開(kāi)展地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和圍巖變形監(jiān)控量測(cè)工作，最大限度降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，為隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工提供科學(xué)決策依據(jù)。明月山隧道施工的主要工程地質(zhì)問(wèn)題有：(1)洞口邊坡及淺埋段地表穩(wěn)定問(wèn)題；(2)斷層破碎帶、掌子面及拱頂圍巖自穩(wěn)能力較差，存在塌落風(fēng)險(xiǎn)以及誘發(fā)斷層帶圍巖變形；(3)巖溶及裂隙水發(fā)育，存在涌水、涌泥等災(zāi)害，少量頁(yè)巖地質(zhì)下可能存在瓦斯危害。

1隧道施工的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

1.1預(yù)報(bào)方法

隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法很多，主要有：地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法和超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法等，各預(yù)報(bào)方法主要內(nèi)容為：(1)地質(zhì)調(diào)查法：包括隧道地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查、洞內(nèi)開(kāi)挖工作面地質(zhì)素描和洞身地質(zhì)素描、地層分界線及構(gòu)造線地下和地表相關(guān)性分析、地質(zhì)作圖等。(2)超前鉆探法：包括超前地質(zhì)鉆探、加深炮孔探測(cè)及孔內(nèi)攝影。(3)物探法：包括彈性波反射法(地震波反射法、水平聲波剖面法、負(fù)視速度法和陸地聲吶法等)、電磁波反射法(地質(zhì)雷達(dá)探測(cè))、紅外探測(cè)、高分辨直流電法等。(4)超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法：包括平行超前導(dǎo)坑法、正洞超前導(dǎo)坑法等。

明月山隧道由于地質(zhì)條件較為復(fù)雜，采用了以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，針對(duì)不同圍巖段落以超前鉆探法為主，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)短距離探測(cè)和TGP長(zhǎng)距離探測(cè)相印證的物探法進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

1.2超前預(yù)報(bào)實(shí)例

K36+366段圍巖預(yù)報(bào)方法：在地表和掌子面觀測(cè)，掌子面地質(zhì)素描；超前5 m及30 m水平鉆孔相結(jié)合，分析預(yù)報(bào)地質(zhì)水文情況；采用地質(zhì)雷達(dá)和TGP探測(cè)相結(jié)合的方法預(yù)報(bào)掌子面前方巖層完整性，并全程進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)。

圖2為掌子面地質(zhì)素描、超前鉆孔布置及雷達(dá)測(cè)線理想布置示意圖，圖3為地質(zhì)雷達(dá)掃描成果圖。通過(guò)超前鉆孔，地質(zhì)雷達(dá)和TGP探測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析認(rèn)為，前方0～30 m范圍巖體完整性一般，節(jié)理發(fā)育；距掌子面0～10 m范圍內(nèi)水文信號(hào)明顯，裂隙水發(fā)育。建議：(1)控制炸藥用量及開(kāi)挖進(jìn)尺，及時(shí)做好開(kāi)挖段圍巖支護(hù)并埋設(shè)盲管；(2)開(kāi)挖前做好超前支護(hù)，開(kāi)挖過(guò)程中注意排危；(3)密切注意水的發(fā)展，加強(qiáng)排水措施。

圖2　隧道施工的掌子面地質(zhì)素描、超前鉆孔布置及雷達(dá)測(cè)線布置示意

圖3　地質(zhì)雷達(dá)掃描成果

1.3預(yù)報(bào)結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，明月山隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)吻合率約為93 %，依據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果調(diào)整圍巖支護(hù)等級(jí)309 m，占比約13 %，有效指導(dǎo)了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，對(duì)預(yù)報(bào)圍巖發(fā)育較差的段落提高圍巖支護(hù)等級(jí)；反之則降低圍巖支護(hù)等級(jí)，對(duì)裂隙水調(diào)整了排水措施增設(shè)盲管。達(dá)到了超前預(yù)報(bào)促進(jìn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工的目的，為明月山隧道平安順利貫通提供了科學(xué)依據(jù)。

2隧道施工的監(jiān)控量測(cè)

2.1監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目，根據(jù)明月山隧道情況，選擇的必測(cè)項(xiàng)目包括：洞內(nèi)外觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉；選測(cè)項(xiàng)目包括：錨桿軸力、鋼架內(nèi)力及外力、圍巖壓力、兩層支護(hù)間壓力、瓦斯?jié)舛燃皵z像監(jiān)控等。

2.2監(jiān)測(cè)管理

為確保明月山隧道施工安全，建立了明月山隧道監(jiān)控量測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)會(huì)商制度。一般情況下，監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)單位每周將近期測(cè)量結(jié)果分送各參建單位，每周召開(kāi)會(huì)商，確定上周監(jiān)測(cè)結(jié)果與施工情況符合程度，依據(jù)本周監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)本周將開(kāi)展的隧道施工。如遇預(yù)報(bào)圍巖級(jí)別與原設(shè)計(jì)不一致或開(kāi)挖圍巖與預(yù)報(bào)結(jié)果及原設(shè)計(jì)不一致等情況時(shí)，填報(bào)圍巖分級(jí)判定卡，召集參建各方會(huì)商，確定圍巖級(jí)別。如遇監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果發(fā)現(xiàn)隧道已支護(hù)段或掌子面前方異常，須立即通知相關(guān)單位，及時(shí)采取有效措施處置。

2.3監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析研究

2.3.1位移變形量測(cè)

位移變形量測(cè)包括地表下沉、拱頂下沉及水平收斂等指標(biāo)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集，函數(shù)擬合進(jìn)行回歸分析，了解圍巖穩(wěn)定性特征，指導(dǎo)隧道施工。明月山隧道典型地表下沉數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4，典型拱頂下沉及水平收斂數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。通過(guò)分析位移累計(jì)值速率可知，隨時(shí)間推移累計(jì)變化量逐漸降低，反映出隧道正趨于穩(wěn)定。

2.3.2受力變形量測(cè)

受力變形量測(cè)選取的錨桿應(yīng)力見(jiàn)圖6，鋼架應(yīng)力見(jiàn)圖7。兩項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)累計(jì)值速率圖，可知受力變形有如下特點(diǎn)：一是受力單位各測(cè)點(diǎn)受力規(guī)律基本相同，元件埋設(shè)

圖4　K34+390地表下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖5　K34+391拱頂下沉及水平收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖6　K36+339錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7　K34+430鋼架應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

30 d內(nèi)受力增長(zhǎng)快，基本達(dá)到最大值的90%以上，之后趨于穩(wěn)定；二是量測(cè)元件和圍巖剛度不匹配，可能引起應(yīng)力集中，但不影響測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律。

通過(guò)監(jiān)控量測(cè)與分析研究工作，可以及時(shí)對(duì)隧道個(gè)別圍巖失穩(wěn)趨勢(shì)的區(qū)段提供了預(yù)報(bào)，這就為施工單位及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)以及合理確定二次襯砌時(shí)間提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。通過(guò)量測(cè)分析發(fā)現(xiàn),明月山隧道開(kāi)挖及初期支護(hù)后大約30 d后圍巖應(yīng)力基本釋放完畢，初期支護(hù)體系基本上穩(wěn)定，因此建議施工單位及時(shí)跟進(jìn)施作二次襯砌。

3結(jié)束語(yǔ)

明月山公路隧道施工歷時(shí)近3年時(shí)間，未發(fā)生過(guò)一起傷殘或死亡事故，完工通車(chē)3年后也未發(fā)現(xiàn)二襯裂縫及大面積滲水情況，是一個(gè)較為優(yōu)質(zhì)的工程?；仡櫚l(fā)現(xiàn)，隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)對(duì)保證隧道工程安全和質(zhì)量具有重要作用，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)如下：

(1)在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建隧道，開(kāi)展動(dòng)態(tài)反饋設(shè)計(jì)，實(shí)施信息化施工是非常必要的，其方法主要采用隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和圍巖穩(wěn)定性監(jiān)控量測(cè)。

(2)明月山隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)取得成功，源于以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，針對(duì)不同圍巖段落以超前鉆探法為主，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)短距離探測(cè)和TGP長(zhǎng)距離探測(cè)相印證的物探法進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。尤其是鉆探法中采取5 m與30 m探孔相結(jié)合，物探法中雷達(dá)30 m與TGP150 m探測(cè)相結(jié)合，并將地質(zhì)法、鉆探法與物探法綜合的預(yù)報(bào)方式，相互驗(yàn)證，提高了預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。

(3)圍巖變形監(jiān)測(cè)對(duì)隧道開(kāi)挖方法、支護(hù)參數(shù)的確定、襯砌施做時(shí)間的選擇非常重要，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)等信息進(jìn)行綜合分析。

(4)為確保隧道施工質(zhì)量安全，避免重大施工事故發(fā)生，建立會(huì)商制度非常必要，確保預(yù)報(bào)及量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)用于指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)施工，不要讓預(yù)報(bào)量測(cè)工作流于形式。

參考文獻(xiàn)

[1]JTGT D70-2010 公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則 [S].

[2]JTGF60-2009 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JTGT F60-2009 公路隧道施工技術(shù)細(xì)則[S].

[4]重慶市建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心.明月山隧道監(jiān)控量測(cè)及地質(zhì)超前預(yù)報(bào)總結(jié)報(bào)告[R].2012.

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類(lèi)號(hào)】U456.3

[作者簡(jiǎn)介]王偉(1983～)，男，本科，主要從事質(zhì)量安全監(jiān)督工作。

[定稿日期]2015-09-07