隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究

熊春發(fā)，任少博，王淑英

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西　南寧　530007)

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隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警技術(shù)研究

熊春發(fā)1，2，任少博1，2，王淑英1，2

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530007)

熊春發(fā)(1982—)，工程師，研究方向：交通巖土工程；

任少博(1985—)，工程師，研究方向：公路路基路面、隧道巖土；

王淑英(1964—)，教授級高工，研究方向：道路材料檢測。

摘要：隧道施工由于不良地質(zhì)條件和開挖卸荷等原因，存在著涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險，因此對隧道施工全過程中的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報預(yù)警，提前做好應(yīng)對措施，對保障隧道施工安全起著十分重要的作用。文章以貴馬隧道為例，對同一區(qū)間段隧道，在未開挖前采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對不良地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)報，在開挖后通過監(jiān)控量測圍巖位移對可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，并將預(yù)報預(yù)警的結(jié)果與隧道實(shí)際開挖揭露的圍巖狀態(tài)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，超前預(yù)報與監(jiān)控量測兩種技術(shù)相結(jié)合，可有效預(yù)判隧道施工全過程中可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：隧道地質(zhì)災(zāi)害；預(yù)報預(yù)警；超前預(yù)報；監(jiān)控量測

0引言

隧道施工由于不良地質(zhì)條件和開挖卸荷等原因，存在著涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險，給施工帶來了重大安全隱患。作為隧道信息化施工、動態(tài)設(shè)計(jì)和管理的重要手段，超前地質(zhì)預(yù)報[1-5]和監(jiān)控量測技術(shù)[6，7]可分別獲得隧道開挖前的不良地質(zhì)信息以及隧道開挖后的圍巖動態(tài)信息，進(jìn)而對隧道施工全過程中的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)判，是保證隧道工程質(zhì)量和安全施工的重要環(huán)節(jié)。因此，對超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用于隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)判的工作流程及實(shí)際效果開展研究，具有重要意義。

本文以貴州思南至劍河高速公路的貴馬隧道為例，對于隧道同一區(qū)間段，在未開挖前利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對不良地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)報，開挖后則通過監(jiān)控量測圍巖變形對可能引起的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，并將預(yù)報預(yù)警的結(jié)果與實(shí)際開挖揭露的圍巖狀態(tài)進(jìn)行對比，以驗(yàn)證超前預(yù)報技術(shù)和監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用于隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)判的有效性，所得結(jié)論可為類似工程參考借鑒。

1隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警方法

隧道施工地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報預(yù)警一般按圖1所示工作流程進(jìn)行，預(yù)報預(yù)警結(jié)果需及時反饋施工以采取治理措施。本文將以貴馬隧道為例，將檢測結(jié)果與實(shí)際開挖揭露的圍巖狀況進(jìn)行對比，以檢驗(yàn)該預(yù)報預(yù)警方法的有效性。

圖1　隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警流程圖

2隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警工程實(shí)例

2.1工程概況

貴馬隧道為雙洞單向交通隧道，左、右洞設(shè)測線間距12.5～21 m，左洞思南段從洞口K139+600、右洞思南段從洞口至ZK139+580屬小凈距隧道，其他段屬分享式隧道。左洞長度為555 m(ZK139+435～ZK139+990)，右洞長度為520 m(K139+450～K139+970)。

貴馬隧道地貌屬于構(gòu)造剝蝕作用形成的中低山地貌。隧道段內(nèi)地形起伏大，山高坡陡，沖溝發(fā)育，沖溝走向以南東向?yàn)橹?，次為北東向，呈“V”字型溝谷。隧道軸線通過地段地面標(biāo)高802.72～929.46 m，最大高差126.74 m，隧道最大埋深115.40 m，位于K139+640處。地形坡度25°～60°。

貴馬隧道巖性單一，主要為凝灰質(zhì)板巖。水文地質(zhì)條件簡單。隧道區(qū)域附近無地表水體分布，地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，地下水的徑流均在節(jié)理、裂隙中進(jìn)行，其地下水分水嶺與地表分水嶺基本一致，地下水位與地形關(guān)系密切，地形切割強(qiáng)烈地段地下水位埋藏深，且地下水位波動幅度較大；平緩地段地下水位埋藏較淺，水位波動幅度較小。該隧道區(qū)地勢較高，地下水埋藏較深。地下水PH值為7.21，侵蝕性CO2為6.68 mg/L，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)不具腐蝕性。

2.2隧道開挖前的不良地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報常用方法分為兩大類：地質(zhì)分析法和地球物理法(包括彈性波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、陸地聲納法、紅外探測法等)。其中地質(zhì)雷達(dá)法是利用超高頻脈沖電磁波為震源，以自激自收的形式，采用連續(xù)或間斷的方式探測地質(zhì)介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法，用于短距離探測隧道的斷層破碎帶、軟弱夾層、地質(zhì)體含水情況，具有快速、無損、實(shí)時顯示等特點(diǎn)，本工程預(yù)報不良地質(zhì)即采用該方法，所用設(shè)備為LTD-2200型地質(zhì)雷達(dá)(天線頻率為100 MHz)。地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果見圖1～2，對不良地質(zhì)體的推斷預(yù)報結(jié)果見表1，由預(yù)報結(jié)果可知該預(yù)報段巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部富含裂隙水。

表1　隧道左洞(ZK)和右洞(K)

圖2　隧道掌子面ZK139+480地質(zhì)雷達(dá)探測圖

圖3　隧道掌子面ZK139+930地質(zhì)雷達(dá)探測圖

2.3隧道開挖后圍巖變形監(jiān)控量測

監(jiān)控量測是新奧法隧道施工中不可缺少的重要組成部分，量測項(xiàng)目一般包括位移監(jiān)測(周邊位移、拱頂下沉和地表下沉等)和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(錨桿軸力和圍巖壓力等)，其中位移監(jiān)測是掌握隧道圍巖動態(tài)變化的有效手段，也是隧道監(jiān)控量測必測項(xiàng)目之一。

根據(jù)監(jiān)控量測的隧道樁號ZK139+485、ZK139+955斷面圍巖位移、位移速率的結(jié)果(見圖3～6、表2)可知，上述隧道斷面拱頂下沉、凈空位移仍未收斂，位移速率已經(jīng)收斂，仍易發(fā)生洞頂?shù)魤K、坍塌等事故。由下頁表3可知，巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、局部富含裂隙水的隧道圍巖在施工過程中位移往往也不易收斂。同時說明地質(zhì)超前預(yù)報和監(jiān)控量測技術(shù)所得結(jié)果可相互驗(yàn)證，兩者有機(jī)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)隧道施工全過程中地質(zhì)災(zāi)害的有效預(yù)判。

表2　監(jiān)控量測成果匯總表

表3　隧道監(jiān)控量測與超前預(yù)報結(jié)果比較表

圖3　ZK139+485斷面拱頂下沉、凈空收斂位移曲線圖

圖4　ZK139+485斷面拱頂下沉、凈空收斂位移速率曲線圖

圖5　ZK139+955斷面拱頂下沉、凈空收斂位移曲線圖

圖6　ZK139+955斷面拱頂下沉、凈空收斂位移速率曲線圖

2.4隧道實(shí)際開挖后揭露的圍巖狀態(tài)

由隧道掌子面開挖地質(zhì)素描記錄(見表4)可知，施工揭露出巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、局部富含地下水，拱頂局部掉塊，可能會發(fā)生坍塌。原設(shè)計(jì)支護(hù)偏弱，需要加強(qiáng)支護(hù)措施后方可繼續(xù)開挖施工。施工揭露出的情形與地質(zhì)超前預(yù)報和監(jiān)控量測預(yù)判的圍巖狀態(tài)基本一致，也說明按圖1所示的工作流程開展隧道施工地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報預(yù)警是可靠和有效的。

表4　隧道圍巖預(yù)報預(yù)警狀態(tài)與實(shí)際開挖狀態(tài)對比表

3結(jié)語

本文利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)和監(jiān)控量測技術(shù)對隧道施工地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報預(yù)警，主要得出以下結(jié)論：

(1)開展隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報預(yù)警，需要在隧道未開挖時對不良地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)報，在隧道開挖后對圍巖變形等進(jìn)行監(jiān)控量測，兩者相互驗(yàn)證、有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)隧道施工全過程中地質(zhì)災(zāi)害的有效預(yù)判。

(2)未開挖前在超前預(yù)報中發(fā)現(xiàn)的存在巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、富含裂隙水等特征的隧道不良地質(zhì)段圍巖，在開挖施工過程中位移往往也不易收斂，存在涌水、洞頂坍塌的風(fēng)險，需及時治理后方可繼續(xù)正常開挖施工。

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Research on Geological Hazard Forecasting and Warning Technology in Tunnel Construction

XIONG Chun-fa1，2，REN Shao-bo1，2，WANG Shu-ying1，2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：Due to adverse geological conditions，excavation unloading and other reasons，the tunnel construction has the risks such as gushing，landslides and other geological disasters，so the forecasting and warning for geological disasters in the whole process of tunnel construction，together with the treatment measures ready in advance，will play a very important role for ensuring the tunnel construction safety.Taking Guima Tunnel as the example，regarding the tunnel within the same range segment，this article conducted the advanced prediction of adverse geology by using the ground penetrating radar technology before excavation，with the early warning of geological disasters which may occur after the excavation through monitoring and measuring the displacement of surrounding rocks，and conducted the comparative analysis between the forecast warning results and the state of surrounding rocks exposed during actual tunnel excavation.The results showed that the combination of advanced prediction and monitoring measurement technologies can effectively predict the geological disasters which may occur in the whole process of tunnel construction.

Keywords：Tunnel geological disaster；Forecasting and warning；Advanced prediction；Monitoring mea-surement

收稿日期：2016-01-25

文章編號：1673-4874(2016)02-0055-05

中圖分類號：U456.3+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.013

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