隧道工程中軟弱圍巖檢測技術(shù)研究

朱賢德，包寅杰

（浙江交科工程檢測有限公司，浙江 杭州 311200）

隧道施工過程具有程序多、內(nèi)容復(fù)雜、相互交叉、隱蔽性強(qiáng)等特點，如何加強(qiáng)超期地質(zhì)預(yù)報、現(xiàn)場監(jiān)控量測，確保隧道施工安全，已成為隧道施工過程中一個突出問題；如何保證隧道的施工質(zhì)量、工程質(zhì)量，已成為隧道施工過程工程檢測中重之又重的關(guān)鍵問題。因此，隧道施工各階段的超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測和質(zhì)量檢測也就成為核心問題[1]。

1 工程背景

1.1 工程概況

隧道左線起止里程ZK0+230～ZK1+497，全長1267m；隧道右線起止里程K0+280～K1+525，全長1245m。限界凈寬18.25m，建筑物限高5m，拱頂圓半徑為10.4m，凈空面積為250.84m2。

1.2 地形地貌

坑道區(qū)屬丘陵地貌，地形較為簡單，兩側(cè)洞口為坡積型地貌，沖溝較為發(fā)育，山峰呈尖凸?fàn)?，山坡度一般?8～30°。山峰總的走向是從東到西，高度的最高點和最低點分別為140m和20m。

2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報

通過地質(zhì)勘查資料和設(shè)計圖紙，了解到ZK1+140～K1+240為深部破碎帶，并貫穿隧道洞體，位于破碎帶發(fā)育段。利用TST超前地質(zhì)預(yù)報方法，提前預(yù)測該段的地質(zhì)狀況，并與地勘資料和設(shè)計圖紙進(jìn)行核對，以指導(dǎo)施工。

2.1 設(shè)備儀器

TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)主要由超前預(yù)報儀、觸發(fā)盒、起爆機(jī)、三分量傳感器等組成。超前預(yù)報儀采用24通道數(shù)，頻帶范圍為0.01～10000Hz；三分量傳感器記錄X、Y、Z方向傳感器的波形[2]；采用爆破觸發(fā)地震波。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集前應(yīng)進(jìn)行炮孔布置、傳感器鉆孔布置測試前準(zhǔn)備等。具體炮孔布置與傳感器布置如下：（1）傳感器布設(shè)距最后一個炮孔20m，左右邊墻對稱布設(shè)，與炮孔在同一水平線上[3]。（2）地震波震源炮孔24個，根據(jù)主結(jié)構(gòu)面走向布設(shè)在一側(cè)，位于邊墻距地面1.5m處，第一炮孔盡量靠近掌子面布設(shè)，炮孔間距1.5m，孔深為1.8m，炸藥量為200g。（3）全部采用φ60mm風(fēng)鉆鉆孔。（4）每個孔安裝完畢后，必須用具有一定黏度的黃泥耦合和封堵。完成現(xiàn)場工作布置和儀器連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用TSPwin對TSP采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得物理參數(shù)及反射界面分布等成果。利用獲得的VP、VS、VP/VS、泊松比、楊氏模量等物理參數(shù)及反射情況綜合預(yù)報隧道存在的溶洞、軟弱巖層、破碎帶及富水帶等不良地質(zhì)體。在數(shù)據(jù)處理過程中要結(jié)合隧道開挖面的實際情況進(jìn)行綜合分析。為了便于預(yù)測結(jié)果與實際開挖結(jié)果之間的相互驗證，應(yīng)給出TSP成果圖。

2.4 檢測結(jié)果

（1）ZK1+140～ZK1+180，長40.0m。巖體波速在2.0km/s以上，巖體較為完整，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，主要為密閉型和微張型裂隙，穩(wěn)定性好，屬弱風(fēng)化石英巖。其中，ZK1+145～ZK1+150及ZK-1+165～zK1-170段反射界面密集，波速波動大，巖體破碎程度較大，屬強(qiáng)風(fēng)化石英巖。

（2）ZK1+180～ZK1+240，長60.0m。巖體的波速在2.1m/s左右，巖體比較完整，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，主要為密閉裂隙和微張裂隙，穩(wěn)定性較好，屬于弱風(fēng)化石英巖，施工時應(yīng)注意巖塊的掉落，并做好支護(hù)措施。

根據(jù)對TSP法超前預(yù)報所收集到的資料分析結(jié)果，預(yù)測了隧道開挖工作面前圍巖破碎帶的分布情況和節(jié)理裂縫的發(fā)育情況，推算出ZK1+140～ ZK1+150、ZK1+165～ZK1+170存在著破碎帶。預(yù)報結(jié)果與開挖結(jié)果基本一致，并對ZK1+195-ZK1+240地勘資料和設(shè)計圖紙作了補充，為施工方加強(qiáng)支護(hù)措施提供了依據(jù)。

3 隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測

3.1 建立基準(zhǔn)點

隧道入口和出口淺埋段和隧道深度小于30m的隧道，以及在沉降段外5倍孔直徑處的水平基準(zhǔn)點（水平基準(zhǔn)點設(shè)置、長期保存和觀測需要確保堅固的點）作為每個觀察點高程測量的基準(zhǔn)。根據(jù)該工程隧道的地質(zhì)地形，在隧道左右洞口的一定距離處分別設(shè)置水平基點，形成觀測站的水平基點和水平控制網(wǎng)。

3.2 監(jiān)測量測數(shù)據(jù)的收集、分析和處理，并反饋信息

（1）獲取數(shù)據(jù)。放置觀察斷面點后，可以使用監(jiān)視儀器收集數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)收集至少由2名專職人員負(fù)責(zé)，每個數(shù)據(jù)段至少連續(xù)測量3次，并將數(shù)據(jù)記錄在相應(yīng)的原始記錄表單中。測量時，首先記錄當(dāng)時的施工環(huán)境（如天氣、溫度、濕度），然后記錄該段的里程數(shù)和該監(jiān)控時間及日期。對于收集的每個數(shù)據(jù)，必須可用于分析和處理的數(shù)據(jù)處理程序。監(jiān)控中，可根據(jù)位移率的變化及與開挖斷面之間的距離提高或降低監(jiān)控頻率[4]。

（2）分析和處理實測數(shù)據(jù)。①根據(jù)監(jiān)測測量所收集的數(shù)據(jù)，繪制各斷面圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形曲線，并根據(jù)該斷面圍巖穩(wěn)定性是否隨時間減少，初步確定該曲線各段的可變率；②使用回歸分析對監(jiān)測段數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步回歸分析，確定最佳回歸分析功能，估計圍巖未來發(fā)展和變化趨勢；③基于信息反饋和預(yù)測。收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)和巖石力學(xué)相結(jié)合的方法構(gòu)建信息反饋預(yù)測的隧道圍巖模型，進(jìn)行圍巖數(shù)值計算和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，并將結(jié)果應(yīng)用于隧道施工。

3.3 監(jiān)測地表沉降變形的結(jié)果與分析

對地表ZK1 245的巖體進(jìn)行了Ⅴ級軟弱圍巖分析，其巖石學(xué)為頁巖、泥質(zhì)砂巖，巖石結(jié)構(gòu)和破碎穩(wěn)定性較差。5個監(jiān)測點的整體變形曲線表明，隧道開挖和挖空區(qū)域的表面沉降大于未隧道的區(qū)域，離隧道中心線越遠(yuǎn)，沉降越小，隧道開挖正上方，即拱頂a點正上方的表面沉降變化最大。此外，隧道初期支護(hù)完成后，由于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，地面沉降最終趨于穩(wěn)定（收斂）。

4 探地雷達(dá)質(zhì)量檢測

4.1 線路布置圖

（1）襯砌質(zhì)量檢查。隧道施工中，初期支護(hù)和二次襯砌質(zhì)量檢查主要是縱向布線。隧道在水平方向共有5條測量線，分別為拱頂、左右拱腰以及左右側(cè)墻。三車道隧道需要在隧道拱頂部分加2條調(diào)查線。

（2）檢查仰拱。檢測仰拱也基于縱向布線，橫斷面布線作為輔助。測量線在隧道中心線的左側(cè)和右側(cè)分別沿著2m（測量線a和測量線b）的垂直方向放置，通常在發(fā)現(xiàn)距離為6～8m的無效線段時，可以沿隧道水平加測。

4.2 數(shù)據(jù)處理

通常需要軟件進(jìn)行處理后獲得有助于解釋的結(jié)果或圖像。雷達(dá)收集的原始數(shù)據(jù)中既有有用的信息，也有各種噪聲，還有些被噪聲掩蓋。因此，原始數(shù)據(jù)通常經(jīng)過后期軟件處理，以獲得有助于解釋的結(jié)果或圖像。數(shù)據(jù)處理的目的是抑制噪聲，改善信號，提高數(shù)據(jù)的信噪比，提取數(shù)據(jù)的速度、振幅、頻率、相位等特性信息。

4.3 探地雷達(dá)結(jié)果解析

（1）鋼支撐。中鋼支撐襯里混凝土（鋼拱、格柵鋼框架等）、雷達(dá)剖面的反射信號是分布式新月形的強(qiáng)反射信號，表示每個反射信號都有一個鋼拱結(jié)構(gòu)。該雷達(dá)剖面，除擾動波信號外沒有其他異常反射，襯砌混凝土結(jié)構(gòu)很密集，同時后部圍巖緊密結(jié)合。

（2）空洞及不密實帶。脫空及不密實典型的雷達(dá)剖面如圖1所示。從圖1中可以看出，普通二次襯砌后背脫空，具有反射波信號強(qiáng)、三振相明顯、底面反射界面強(qiáng)烈等特點；初期支護(hù)具有背部回填不緊密，反射波多、雜，反射波能量強(qiáng)度大變化等特點。

圖1 脫空及不密實典型的雷達(dá)剖面

5 結(jié)論

在隧道施工過程中，通過上述方式方法可以保證隧道工程的安全，保證質(zhì)量，保證工程進(jìn)度，降低風(fēng)險。

（1）該隧道工程采用TSP方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報工作，作為地質(zhì)預(yù)報探測手段，對圍巖中的軟弱構(gòu)造帶、斷層和破碎帶等不良地質(zhì)體具有較好的預(yù)報效果。選擇該隧道部分具有代表性的超前地質(zhì)預(yù)報成果，對ZK1+145～ZK1+150/ZK1+165～ZK1+170巖體進(jìn)行了破碎預(yù)測，并對ZK+195～ZK1+240巖體的破碎預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了驗證，是對地勘資料的一種有益補充。

（2）制定監(jiān)測量測的具體實施方案，并在地面沉降觀測中進(jìn)一步確定支護(hù)和圍巖變形情況，這對現(xiàn)場施工提供了可靠的保證。

（3）探地雷達(dá)探測數(shù)據(jù)要進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)處理，首先采用調(diào)整方向等操作，并反復(fù)使用各種參數(shù)進(jìn)行處理，可達(dá)到層次分明、缺陷清晰的效果；然后根據(jù)介電常數(shù)確定內(nèi)襯的厚度，進(jìn)行缺陷分析等，并輸出結(jié)果。