特長隧道施工階段圍巖分級的應用研究

郭瑞東，郝付軍

（1、山東公路技師學院 濟南 250104；2、陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院 陜西 渭南 714000）

0 前言

中國經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展，土木建筑特別是隧道建設(shè)方興未艾。截止2020 年底，中國公路隧道共21 316 處，總長21 999.0 km，其中特長公路隧道1394 處，總長6 236.0 km［1］。特長隧道大多路線長、埋深大，水文地質(zhì)條件多變?？辈樵O(shè)計單位在隧道初期完全調(diào)查清楚施工隧址區(qū)的巖體特別是不良地質(zhì)的性質(zhì)難度大，因而依據(jù)勘查設(shè)計階段的圍巖分級不能很好的符合實際施工需要。只有采用多種方法并用的綜合地質(zhì)預報方法［2］，發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢，揚長避短，才能更加準確的提高地質(zhì)預報和圍巖分級的準確性。為隧道現(xiàn)場施工和變更支護提供科學依據(jù)，保證支護剛度和施工質(zhì)量，加快施工進度，減少發(fā)生地質(zhì)災害的可能。

1 概況

1.1 工程概況

某高速公路隧道位于貴州省，采用上下行分離形式，設(shè)計速度100 km∕h。隧道路線穿越西東走向山體而建設(shè)，軸線走向方位角289°轉(zhuǎn)285°，洞身略呈弧形展布。隧道左幅起訖里程樁號：ZK91+847～ZK95+237，長3 390 m；右幅起訖里程樁號：YK91+879～YK95+234，長3 355 m，隧道最大埋深約326 m，屬特長隧道。

1.2 隧址區(qū)地質(zhì)調(diào)查

經(jīng)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該特長隧道存在以下不良地質(zhì)：

⑴ 隧道進、出口淺埋段，巖體風化程度高（見圖1），節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面內(nèi)多泥質(zhì)充填，圍巖自穩(wěn)能力差，隧道頂部易產(chǎn)生坍塌甚至冒頂?shù)葹暮Γ?/p>

圖1 隧道進口地貌Fig.1 The Tunnel Entrance Landform

⑵隱伏巖溶發(fā)育，二疊系棲霞組（P1q）為灰?guī)r，梁山組（P1l）為灰?guī)r與泥質(zhì)粉砂巖夾灰?guī)r，在灰?guī)r與泥質(zhì)粉砂巖夾灰?guī)r層接觸面易形成較大規(guī)模的溶洞與富水溶洞；

⑶危巖體位于隧道進口左側(cè)之上（見圖2），為人工采石形成的灰?guī)r臨空陡崖，高度約30 m，崖頂巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，存在崩塌掉塊的威脅。

圖2 進口左側(cè)危巖體Fig.2 Left Entrance of Dangerous Rock Mass

2 設(shè)計階段圍巖分級

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范：JTDG 70—2004》圍巖分級法，結(jié)合《工程巖體分級標準》，采取定性劃分與定量指標相結(jié)合的圍巖分級方法，分為Ⅰ～Ⅵ級［3］。設(shè)計圍巖分級匯總?cè)缦拢合滦芯€Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別占42%、39%、19%；上行線Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別占39%、43%、18%。圍巖級別主要是Ⅲ、Ⅳ級，因此隧道圍巖總體評價良好。

基于地質(zhì)環(huán)境多變，難于準確一次描述，故設(shè)計階段的圍巖分級與公路隧道施工時的圍巖相差較大。要保證公路隧道施工高效經(jīng)濟、快速安全必須根據(jù)實際的圍巖狀態(tài)進行變更設(shè)計，使之符合實際情況。因此建立一套符合實際隧道施工的圍巖分級體系具有現(xiàn)實意義。

3 施工階段圍巖分級

3.1 依據(jù)彈性波散射法（TST）探測技術(shù)的圍巖分級

TST（Tunnel Seismic Tomography）即隧道散射地震成像技術(shù)，其觀測系統(tǒng)采用空間布置，在隧道兩側(cè)圍巖中布置激發(fā)和接收系統(tǒng)。地震波的產(chǎn)生需要在震源點小規(guī)模爆破或由電火花產(chǎn)生。當?shù)卣鸩ㄓ龅桨〝鄬印r石破碎帶和巖性變化的巖石物性界面時，一部分地震信號被投射進入前方介質(zhì)，另一部分則被反射回來，利用地震檢波器接收反射信號。部分地震波的能量被散射回來。散射信號的傳播時間與散射界面的距離成正比，因此在準確獲得圍巖波速的情況下，能作為地質(zhì)體位置的直接測量方法，其優(yōu)勢是分辨率和準確性較高。TST資料處理主要包含如下過程［3］：①地震記錄資料的選取；②地震數(shù)據(jù)預處理；③觀測系統(tǒng)幾何參數(shù)編輯；④方向濾波；⑤速度掃描與偏移成像；⑥地質(zhì)解譯。

系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。其中地震信號采集器24通道，24位A∕D轉(zhuǎn)換，使用采樣頻率為1∕32 ms，采樣時長1.5 s。檢波器為內(nèi)置IC 放大器的壓電晶體帶阻尼檢波器，頻帶為0.5～5 000 Hz。電火花震源標稱儲能50 kJ。

圖3 TST系統(tǒng)硬件組成示意圖Fig.3 Schematic Diagram of System Hardware Composition

TST 觀測系統(tǒng)采用4 m 道距方案，具體布置如下（見圖4）：

圖4 孔位布置Fig.4 Hole Location Layout

3.1.1 基本參數(shù)設(shè)置

⑴檢波器12個（S1～S12），布置在兩側(cè)壁內(nèi)，每側(cè)6個，間距4.0 m，埋深1.8 m，S6和S7盡量靠近掌子面。

⑵炸藥震源孔6 個（P1～P6），布置在兩側(cè)壁內(nèi)，每側(cè)3 個，每側(cè)第1 個震源孔距最近檢波器4 m，其余2個間距24 m，埋深1.8～2.0 m。

⑶檢波器孔和震源孔均采用手風鉆成孔，鉆孔孔徑≥80 mm，若圍巖破碎，則在打孔后立即插入內(nèi)徑40～45 mm 的PVC 管，插入深度約1.5 m；根據(jù)隧道施工情況及地質(zhì)條件，確定檢波器（探頭）和炮點在隧道左右邊墻的位置，接收器和炮點位置應在同一高度。

⑷設(shè)置采集參數(shù)：采集參數(shù)主要包括采樣間隔1∕32，時窗長度700，通道數(shù)12。

3.1.2 根據(jù)速度曲線圖和地質(zhì)構(gòu)造偏移成像圖（見圖5）判斷圍巖級別

圖5 構(gòu)造偏移成像Fig.5 Structural Migration Imaging

速度高表明圍巖硬整體性好，速度低表明圍巖軟弱破碎。地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像紅色部分代表巖石由軟變硬。藍色部分代表巖石由硬變軟。先藍后紅代表由硬變軟再變硬，反映了斷裂帶的特性［4］。根據(jù)TST探測成果對圍巖分級的部分成果如表1所示。

表1 該隧道左幅根據(jù)TST探測成果的圍巖分級（部分）Tab.1 Classification of Surrounding Rock Based on TSP Detection Results for the Down Line of the Tunnel（Partial）

據(jù)統(tǒng)計，左幅Ⅱ類圍巖約占15%，Ⅱ～Ⅲ級圍巖約占11%，Ⅲ級圍巖約占60%，Ⅲ～Ⅳ級圍巖約占7%，Ⅳ級圍巖約占8%；右幅Ⅱ級圍巖約占20%，Ⅱ～Ⅲ級圍巖約占7%，Ⅲ級圍巖約占52%，Ⅳ級圍巖約占21%。統(tǒng)計表明隧道中Ⅲ級圍巖站主要多數(shù)，其余的為Ⅱ級和Ⅳ級。因此采取TST 技術(shù)對圍巖分級和設(shè)計階段的圍巖分級一致性較多，但是也存在明顯差異。

3.2 依據(jù)超前水平鉆孔的圍巖分級

以左幅ZK94+230～ZK94+250為例。

3.2.1 隧道開挖掌子面圍巖特征

利用羅盤測得掌子面處軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，對掌子面巖性、強度、風化程度、節(jié)理裂隙組數(shù)、地下水等作出資質(zhì)描述［4］（見圖6）。

圖6 隧道施工掌子面素描Fig.6 Sketch of Tunnel Construction Face

從ZK94+230 掌子面處的圍巖（見圖7）表現(xiàn)為細粒結(jié)構(gòu)的炭質(zhì)板巖，巖體呈現(xiàn)碎裂結(jié)構(gòu)，裂隙水豐富。巖體節(jié)理縫間被泥質(zhì)、鈣質(zhì)和有機質(zhì)填充，存在充填物被水影響，發(fā)生軟化流失的可能，圍巖穩(wěn)定性較差。該段隧道原先設(shè)計描述為：巖性為炭質(zhì)板巖，巖體較破碎穩(wěn)定性差，屬于落石高發(fā)區(qū)，定為Ⅲ級圍巖。支護類型為Va，三臺階臨時仰拱法。根據(jù)掌子面地質(zhì)狀況和裂隙水的影響，原設(shè)計與實際地質(zhì)描述區(qū)別較大，重新判斷掌子面圍巖類別屬于Ⅳ級。

圖7 ZK94+230掌子面Fig.7 ZK94+230 Face

3.2.2 鉆進情況

在掌子面共布置了3個水平鉆孔，鉆進現(xiàn)場記錄到的鉆進情況如表2 所示，1 號鉆孔每鉆進2 m 所用時間與距掌子面距離的關(guān)系曲線如圖8所示。

表2 鉆進現(xiàn)場記錄到的鉆進情況（部分）Tab.2 Drilling Conditions Recorded at the Downstream Drilling Site（Partial）

圖8 1號鉆孔每鉆進2 m所用時間與距掌子面距離的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship Curve between the Time Taken for Drilling Every 2 m of No.1 Borehole and the Distance from the Tunnel Face

在鉆進過程中發(fā)現(xiàn)：該地段鉆速、巖渣和鉆進情況變化頻繁，其中ZK94+230～ZK94+250 段圍巖整體性較好，而ZK94+235～ZK94+240 段 圍巖圍巖整體性較差，巖石大多破碎，地下水豐富，并且ZK94+240～ZK94+245 段有部分呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)液體顏色、隧道圍巖、掌子面的巖性判斷前方20 m 內(nèi)為細粒狀炭質(zhì)板巖。依據(jù)這些特征將掌子面前方20 m 內(nèi)的圍巖類別判定為Ⅳ類。

3.3 依據(jù)監(jiān)控量測資料的圍巖分級

通過監(jiān)控量測的結(jié)果，一是檢驗設(shè)計和施工參數(shù)是否科學恰當，二是判斷圍巖級別，為二襯施工和前方巖石的挖掘和開鑿、采取的超前支護形式提供有益的參考。

3.3.1 監(jiān)控量測項目

隧道的拱頂下沉、周邊位移和錨桿抗拔力試驗的量測結(jié)果應用于3 個方面［5］：①對現(xiàn)場施工做出科學指導；②對隧道設(shè)計是否符合實際做出核驗；③對圍巖的穩(wěn)定和初期支護的穩(wěn)定是否滿足要求做出評價。3.3.2 監(jiān)控量測點的布置及監(jiān)測結(jié)果的分析（以ZK93+202為例）

檢測點布置如圖9所示，因篇幅受限，本文僅分析接觸壓力。通過埋設(shè)的50 個壓力盒讀取2 個數(shù)據(jù)：①初襯和圍巖相互作用產(chǎn)生的接觸壓力；②初襯與二襯相互作用產(chǎn)生的接觸壓力。繪制圖表得到其變化規(guī)律，從而掌握圍巖性狀來指導施工。由圖10可知大部分曲線變化是趨向于平緩，這表明初襯與二襯之間的相互作用逐漸變?yōu)榉€(wěn)定。由此判斷未來所測數(shù)據(jù)將保持穩(wěn)定，變化不大。

圖9 檢測點布置Fig.9 Layout of Inspection Points

圖10 隧道左幅ZK93+202斷面圍巖和初襯間接觸壓力-時間曲線ⅣFig.10 Contact Pressure Time Curve between Surrounding Rock and Primary Lining of ZK93+202 Section on the Left of Tunnel

3.4 依據(jù)監(jiān)控量測資料的圍巖分類

隧道開挖后，不同級別的圍巖，其應力變化時間的快慢、松動范圍、施加在襯砌上的荷載值都不同［6］。通過接觸壓力的分析，提出依據(jù)監(jiān)控量測對圍巖重新分級的兩個參數(shù)作為標準：①初襯和圍巖的接觸壓力接近穩(wěn)定時所用時間；②初襯和圍巖的相互作用產(chǎn)生接觸壓力的變化率。

繪制不同圍巖級別的接觸壓力變化率圖（見圖11）?？芍蠹墖鷰r、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖壓力從量測到接近穩(wěn)定分別需要約40 d、70 d、100 d，上下偏差均約50 d。在接觸壓力穩(wěn)定之前，圍巖等級不同，變化速率不同。Ⅱ級變化率較小，Ⅳ級變化率較大，Ⅲ級變化率界于Ⅱ級和Ⅳ級之間。

圖11 隧道左幅ZK93+202左邊墻圍巖與初襯間接觸壓力與時間的關(guān)系曲線（Ⅱ類圍巖）Fig.11 Contact Pressure between Surrounding Rock and Primary Lining of ZK93+202 Left Wall of Tunnel Relation Curve with Time（Class ⅡSurrounding Rock）

對比圍巖與初襯之間的接觸壓力數(shù)值的變化、巖土變化特征和實際的圍巖級別，發(fā)現(xiàn)該種分類方法更符合施工實際情況，基于上述研究結(jié)論對圍巖進行的分級能很好的對隧道現(xiàn)場施工進行指導。

4 施工過程圍巖分級與設(shè)計階段分級的對比

部分對比結(jié)果如表3所示。根據(jù)不同圍巖分類技術(shù)得到的圍巖分類結(jié)果進行對比分析（見表4）。

表3 施工揭露圍巖級別（部分）Tab.3 Grade of Surrounding Rock Exposed during Construction （Partial）

表4 左幅設(shè)計階段、TSP探測、現(xiàn)場開挖的圍巖級別比較Tab.4 Comparison of Surrounding Rock Grades in Left Design Stage，TSP Detection and Site Excavation

5 結(jié)論

圍巖分級從設(shè)計階段到施工階段采用的TST 技術(shù)探測、超前鉆孔逐步精細化，結(jié)果越來越準確，三者既有對應性也有差別性［7］。這一問題的出現(xiàn)，不完全是由探測儀器系統(tǒng)引起，而是由技術(shù)和人為因素共同影響。

通過依托工程的現(xiàn)場探測和監(jiān)控量測，總結(jié)出了新的圍巖分級方法并應用到該工程中，得出如下結(jié)論：

⑴設(shè)計階段的隧道圍巖分級是根據(jù)勘查結(jié)果進行的，它主要對指導設(shè)計和招投標具有指導意義。

⑵由于TST 探測圍巖分級時，距離較短［8］，因而結(jié)果更符合實際巖性，利用該結(jié)果應用于隧道設(shè)計和施工，結(jié)果準確可靠，但是精度仍然欠缺。

⑶當采用超前水平鉆孔時，通過鉆進過程中發(fā)生的現(xiàn)象，總結(jié)出如下結(jié)論：

①鉆空速度正常、卡鉆、吃鉆分別表示巖體較為完整且節(jié)理少、圍巖破碎程度較大、巖層變化明顯。且?guī)r層變化趨勢是從堅硬層進入軟弱層［9］。

②巖性的反映可以通過鉆進過程流出的不同液體顏色來區(qū)別［10］。

③巖石的軟弱、破碎和堅硬、完整可以通過從鉆孔中沖出的巖粉粗細來區(qū)分。

④巖體中裂隙大小的發(fā)育程度可以通過鉆孔中出水量的大小來判斷。

⑤巖石的軟硬程度可以通過鉆進速度快慢來判別。

⑷開挖隧道后，圍巖的應力調(diào)整時間、松動范圍以及施加在襯砌上的荷載大小都與圍巖級別有關(guān)。監(jiān)測數(shù)據(jù)反映：對高等級的圍巖，它與初襯之間的接觸壓力接近穩(wěn)定耗時短，反之，則耗時長。接觸壓力接近穩(wěn)定之前，其變化速率小，反之，則變化速率大。