軟巖隧道圍巖松動(dòng)圈內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)研究

張倪、李占峰

（四川綿九高速公路有限責(zé)任公司，四川綿陽(yáng) 621000）

0 引言

當(dāng)圍巖所受應(yīng)力小于下降后的自身強(qiáng)度極限時(shí)，圍巖將處于彈塑性狀態(tài)[1]。而當(dāng)圍巖所受應(yīng)力大于下降后的自身強(qiáng)度極限時(shí)，圍巖將發(fā)生破壞，并不斷從隧道周邊向圍巖深部擴(kuò)展，直到達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程中形成的破裂區(qū)域稱(chēng)為圍巖松動(dòng)圈[2]。因此，確定軟巖隧道圍巖松動(dòng)圈的范圍是分析隧道穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。影響松動(dòng)圈范圍的因素有很多，如爆破開(kāi)挖的藥量、開(kāi)挖的方法、巖體強(qiáng)度、斷跨度、地應(yīng)力等。精確探測(cè)圍巖松動(dòng)圈范圍可以準(zhǔn)確掌握軟巖隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖的影響范圍及程度，進(jìn)而對(duì)隧道襯砌系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理修正，并為軟巖隧道的開(kāi)挖和支護(hù)提供技術(shù)支持與指導(dǎo)。因此，加強(qiáng)對(duì)軟巖隧道圍巖松動(dòng)圈范圍檢測(cè)技術(shù)的研究有重要意義。

1 測(cè)試原理

常用的松動(dòng)圈測(cè)試方法有聲波法、多點(diǎn)位移計(jì)法、地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法等[3]。然而，上述方法都存在適應(yīng)性差、準(zhǔn)確性低、實(shí)操性弱等缺點(diǎn)，測(cè)試時(shí)需要采用特種儀器，且對(duì)操作人員的技能要求高等特點(diǎn)。經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，鉆孔內(nèi)窺和孔內(nèi)成像技術(shù)，可以更簡(jiǎn)單、直接地確定圍巖松動(dòng)圈的范圍。鉆孔內(nèi)窺是一種多學(xué)科通用工具，其功能是可對(duì)狹窄結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行可視化探測(cè)。通過(guò)內(nèi)窺的方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)狹小內(nèi)部空間和特殊環(huán)境下，人視力無(wú)法直接觀測(cè)到的區(qū)域進(jìn)行質(zhì)量檢查。其工作原理是利用轉(zhuǎn)像透鏡光學(xué)技術(shù)傳送照片，為了傳送清晰的照片，內(nèi)窺鏡鏡頭加設(shè)冷光源及圖像放大裝置（見(jiàn)圖1）。

圖1 攝像頭工作原理

圍巖松動(dòng)圈的確定可為錨桿長(zhǎng)度確定提供依據(jù)。九綿高速公路項(xiàng)目用微型攝像或錄像在8m 深的炮眼中實(shí)測(cè)松動(dòng)圈的范圍，測(cè)法直接，判斷可視、主觀，且方法經(jīng)濟(jì)、可行，是九綿高速自主、實(shí)用的新技術(shù)之一。

根據(jù)《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3374—2020）6.4.6，瓦斯地層每循環(huán)開(kāi)挖應(yīng)加深炮眼孔探測(cè)瓦斯，加深長(zhǎng)度不小于2m[4]。內(nèi)窺鏡瓦斯超前探孔與此項(xiàng)條文異曲同工，且不僅適用于瓦斯地層，在富水、巖溶、突泥等復(fù)雜地段同樣適用。

2 案例概述

九綿高速公路運(yùn)用鉆孔內(nèi)窺和孔內(nèi)成像的新興技術(shù)，探測(cè)圍巖松動(dòng)圈的范圍。白馬隧道是九綿高速公路控制性工程，全長(zhǎng)13km，巖性多為薄層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合較差，炭質(zhì)板巖層間多附光滑鏡面，受構(gòu)造力的強(qiáng)烈作用，埋深大，地應(yīng)力量級(jí)較高，開(kāi)挖后變形較大，同時(shí)炭質(zhì)板巖具有遇水軟化等特性。該座軟巖隧道很具有代表性，具有高海拔、高地應(yīng)力、低瓦斯等特點(diǎn)。選取左線K40+600 左側(cè)邊墻，采用錨桿鉆機(jī)鉆設(shè)8m 深探孔，運(yùn)用內(nèi)窺鏡拍照（見(jiàn)圖2）。

圖2 K40+600 左邊墻內(nèi)窺鏡成像

按照每0.5m 拍攝1次，通過(guò)照片對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在4m 之后孔壁圓順，無(wú)明顯變形，推測(cè)圍巖松動(dòng)圈為開(kāi)挖輪廓線外4m?，F(xiàn)場(chǎng)采用支護(hù)參數(shù)為Db，系統(tǒng)錨桿采用長(zhǎng)短結(jié)合的方式：短錨桿為φ42 注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)度3.5m/根，注漿加固松動(dòng)圈；長(zhǎng)錨桿為φ32 自進(jìn)式錨桿，長(zhǎng)度6m/根，錨入持力層。根據(jù)成像探測(cè)松動(dòng)圈范圍，采取的長(zhǎng)短錨桿錨固措施滿足變形控制的要求。后續(xù)監(jiān)控量測(cè)控變形穩(wěn)定后，累計(jì)收斂變形365mm，累計(jì)拱頂下沉149mm，滿足設(shè)計(jì)預(yù)留變形量400mm 的變形要求。

根據(jù)變形回歸曲線分析，符合軟巖隧道變形特征，前期隧道變形加劇。隨著時(shí)間推移，逐漸趨于平穩(wěn)，但隨著應(yīng)力釋放，以及在裂隙水的作用下，累計(jì)變形逐漸增大。最終測(cè)定，穩(wěn)定在365mm 左右，滿足預(yù)留變形量預(yù)設(shè)計(jì)要求。

3 運(yùn)用MATLAB 軟件進(jìn)行驗(yàn)證

參照國(guó)內(nèi)外研究狀況，選用MATLAB 軟件進(jìn)行圖像處理，與內(nèi)窺鏡反映結(jié)果進(jìn)行雙向結(jié)果驗(yàn)證。

通過(guò)圖像處理最終以裂隙率指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判（見(jiàn)圖3、圖4）[5]。

圖3 不同深度裂隙率趨勢(shì)圖

圖4 不同深度圖像處理

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，在0.5～3.0m 區(qū)間內(nèi)，裂隙發(fā)育，裂隙面積占比較高，在3m 之后數(shù)據(jù)有較大波動(dòng)，裂隙率下降較快，在4～8m 之間裂隙面積占比基本無(wú)大的變化，與現(xiàn)場(chǎng)影像反饋一致，也很好地驗(yàn)證了應(yīng)用結(jié)果。初步判定，該試驗(yàn)段圍巖松動(dòng)圈大致范圍為3～4m，所以處置范圍大于4m 才能有效抑制隧道變形，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符。

4 加深炮孔超前地質(zhì)預(yù)報(bào)案例

在白馬隧道右線YK41+290 掌子面，采用多功能鉆機(jī)鉆設(shè)8m 深超前探孔，運(yùn)用內(nèi)窺鏡拍照（見(jiàn)圖5）。

圖5 K41+290 掌子面內(nèi)窺鏡成像

通過(guò)內(nèi)窺鏡成像照片，在室內(nèi)分析YK41+290—YK41+298 段圍巖情況：0～2m 為炭質(zhì)板巖，內(nèi)壁粗糙，裂隙發(fā)育，巖體間有軟弱夾層；2～5.5m 為炭質(zhì)板巖局部夾千枚巖，總體內(nèi)壁光滑，局部有軟弱夾層，巖體較破碎；5.5～8m 為炭質(zhì)板巖夾千枚巖，內(nèi)壁粗糙，裂隙極發(fā)育，孔底1m 范圍有鏡面狀結(jié)合面，巖體極破碎。整個(gè)鉆孔段落內(nèi)，無(wú)明顯地下水。

HSP-BMSD-PXYD-032 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（見(jiàn)圖6）的物探成果能量反射較強(qiáng)，反射雜亂，強(qiáng)能量反射團(tuán)塊雜亂分布，結(jié)合掌子面地質(zhì)情況推測(cè)，該段圍巖主要為炭質(zhì)板巖夾變質(zhì)砂巖，局部有千枚巖夾層，受構(gòu)造影響圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，局部呈破碎散體狀，無(wú)支護(hù)時(shí)側(cè)壁、拱頂易掉塊坍塌，該段地下水弱發(fā)育。

圖6 掌子面HSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)試成果切片圖

超前鉆孔拍攝結(jié)果分析與HSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致，且更加精細(xì)、準(zhǔn)確、直觀。兩種方式對(duì)比：采用HSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，專(zhuān)業(yè)人員、設(shè)備投入比較大，與施工現(xiàn)場(chǎng)交叉施工，功效較低；采用內(nèi)窺鏡，無(wú)須專(zhuān)門(mén)的人員、設(shè)備，且能夠與打鉆開(kāi)挖工序同時(shí)進(jìn)行，快速高效，圖形直觀可見(jiàn)，成本基本為零。

5 結(jié)論

其一，九綿高速公路項(xiàng)目采用8m 深的炮眼，用微型攝像或錄像實(shí)測(cè)松動(dòng)圈的范圍，通過(guò)內(nèi)窺鏡傳送清晰圖像判定松動(dòng)圈的大致范圍。圍巖松動(dòng)圈的確定可為確定錨桿長(zhǎng)度提供依據(jù)，測(cè)法直接，判斷可視、主觀，且方法經(jīng)濟(jì)、可行，是九綿高速公路自主、實(shí)用的新技術(shù)之一。

其二，為了驗(yàn)證判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，運(yùn)用MATLAB 軟件進(jìn)行雙向驗(yàn)證。通過(guò)灰度測(cè)試，用孔隙率指標(biāo)判斷照片反映的信息，判定結(jié)果與照片反映情況一致，說(shuō)明該方法操作上可行，結(jié)果判定上可靠。

其三，采用超前水平鉆孔方式，進(jìn)行隧道施工期掌子面前方地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，是隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法中最直接的方法?？赏ㄟ^(guò)鉆孔鉆進(jìn)速度，測(cè)試獲取隧道掌子面前方巖石（體）的強(qiáng)度指標(biāo)、可鉆性指標(biāo)、地層巖性資料、巖體完整程度指標(biāo)及地下水狀況等諸多方面的直接資料。采用此方法，不僅可以確定隧道掌子面前方地質(zhì)情況，而且可以起到探水的作用。超前水平鉆孔是隧道地質(zhì)勘探最直接的方法，但由于其成本高目前無(wú)法普遍采用。九綿高速公路項(xiàng)目采用加深炮眼（2～5m），并配以微型攝像儀進(jìn)行孔內(nèi)影像的采集，由專(zhuān)業(yè)地質(zhì)工程師進(jìn)行室內(nèi)分析和判斷，對(duì)前方小凈距的圍巖情況、水文條件、有毒有害氣體和不良地質(zhì)情況進(jìn)行綜合探測(cè)，取得了良好效果。