軟弱圍巖隧道超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)及質(zhì)量檢測(cè)

董垠楓,張宏程

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

近年來(lái)，越來(lái)越多的公路項(xiàng)目向山嶺重丘區(qū)延伸，而為了保證線形的平順，不可避免地開挖大量隧道。隧道工程施工難度大，尤其是軟弱圍巖隧道，如果不能在施工期間準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)變形受力規(guī)律，掌握掌子面前方的不良地質(zhì)分布情況，容易導(dǎo)致塌方、掉塊、涌水、突泥等事故，嚴(yán)重的可能造成大量人員傷亡，從而影響施工進(jìn)度和施工成本[1]。因此，進(jìn)一步研究軟弱圍巖隧道的監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及質(zhì)量檢測(cè)具有重要的工程價(jià)值。

1 工程概況

1.1 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

以某山區(qū)高速公路雙向四車道隧道為研究對(duì)象，探討了其監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及質(zhì)量檢測(cè)方法。該隧道屬于中隧道，全長(zhǎng)950 m，左線起訖樁號(hào)為ZK10+500～ZK11+450，右線起訖樁號(hào)為YK10+495～YK11+445，設(shè)計(jì)荷載為公路I 級(jí)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h。

隧道支護(hù)方式為復(fù)合式襯砌，其中初期支護(hù)為注漿錨桿（直徑25 mm、長(zhǎng)度3 m/根、環(huán)向間距1 m）+鋼拱架（間距75 cm）+混凝土噴層；二次襯砌為混凝土噴層，隧道施工時(shí)采用“新奧法”。

1.2 地質(zhì)、水文、氣象條件

根據(jù)施工圖勘察報(bào)告，隧道圍巖以強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、泥巖等為主，層間結(jié)合差，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬于軟弱圍巖，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。同時(shí)，隧道所在區(qū)域?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，四季分明、雨量充沛，年平均氣溫約16.6 ℃，年平均降水量約785.6～960.8 mm。

2 軟弱圍巖隧道監(jiān)控量測(cè)分析

2.1 隧道監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容

軟弱圍巖隧道監(jiān)控量測(cè)就是在開挖期間，采用專門的儀器對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以判斷隧道設(shè)計(jì)支護(hù)方案是否能夠滿足施工要求，為支護(hù)方案變更和隧道二次襯砌施工提供理論依據(jù)。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018，下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》），根據(jù)重要性不同，可將公路隧道監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容劃分為必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目?jī)深?，前者包括洞?nèi)外觀察、拱頂下沉、周邊收斂、地表沉降，后者包括桿軸力、圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、圍巖彈性波速等，測(cè)量方法復(fù)雜，測(cè)量成本高，一般只在局部危險(xiǎn)路段監(jiān)測(cè)[2]。

2.2 隧道監(jiān)控量測(cè)方法

2.2.1 監(jiān)測(cè)儀器

軟弱圍巖隧道拱頂下沉可采用全站儀或水準(zhǔn)儀測(cè)量；周邊收斂變形可采用全站儀或收斂計(jì)測(cè)量。需注意，隧道拱頂下沉和周邊收斂在測(cè)量前要按設(shè)計(jì)文件要求粘貼反光片。

2.2.2 斷面和測(cè)點(diǎn)布置

軟弱圍巖隧道掌子面開挖后，其圍巖應(yīng)力重新分布，并出現(xiàn)變形，且應(yīng)力和變形在掌子面開挖24 h 內(nèi)變化較快。為了準(zhǔn)確獲取隧道圍巖變形特征，應(yīng)在掌子面開挖后盡快布置監(jiān)測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)，且不能距離掌子面太近，以免爆破作業(yè)破壞監(jiān)測(cè)斷面。由相關(guān)規(guī)定可知，必測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)間距應(yīng)結(jié)合圍巖等級(jí)、施工方法、地質(zhì)條件等確定。對(duì)于Ⅴ級(jí)軟弱圍巖，建議監(jiān)控量測(cè)間距取5～10 m，同時(shí)，拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)宜布置在隧道中心線位置，周邊收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)宜對(duì)稱布置在隧道拱腰附近。此外，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)頻率應(yīng)嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)文件，如設(shè)計(jì)無(wú)明確要求，拱頂下沉和周邊收斂在第1～15 d、第16～30 d、第30～90 d 的量測(cè)頻率可分別取1～2 次/d、1 次/2 d、1～2 次/w。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

在分析軟弱圍巖隧道變形特性前，要先將個(gè)別明顯異常的數(shù)據(jù)剔除。隧道的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的離散型較大，為了準(zhǔn)確分析變形量隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化規(guī)律，可采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件（EXCEL、Origin、SPASS 等）中的回歸分析函數(shù)來(lái)推演兩者之間的關(guān)系，比如雙曲線函數(shù)、多項(xiàng)式函函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等。

2.3 隧道監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

2.3.1 預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

為了確保隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的可用性，需建立相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制，并給出相應(yīng)的施工建議。結(jié)合相關(guān)研究成果，該文給出了如表1 所示的預(yù)警機(jī)制[3]。

表1 軟弱圍巖隧道監(jiān)控量測(cè)預(yù)警機(jī)制

2.3.2 量測(cè)結(jié)果

該文將該軟弱圍巖隧道K10+800 斷面的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 軟件中分析，如圖1 所示。

圖1 軟弱圍巖隧道變形結(jié)果

由圖1 可知：隨著隧道掌子面開挖時(shí)間的增加，其拱頂下沉量和周邊收斂變形不斷增加。當(dāng)監(jiān)控量測(cè)時(shí)間＜15 d，隧道變形速率較快，變形量和時(shí)間基本呈線性變化趨勢(shì)，其中拱頂下沉速率約0.74 mm/d、周邊收斂速率約0.53 mm/d；當(dāng)監(jiān)控量測(cè)時(shí)間超過(guò)25 d，隧道的拱頂下沉和周邊收斂逐漸趨于穩(wěn)定，隧道管理等級(jí)為Ⅱ級(jí)，需加強(qiáng)支護(hù)。

3 軟弱圍巖隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析

在軟弱圍巖隧道施工期間，容易遇到各種不良地質(zhì)，比如溶洞、斷裂破碎帶等，通過(guò)探地雷達(dá)法、TGP 法、超前水平鉆孔法等超前預(yù)報(bào)技術(shù)能有效識(shí)別不良地質(zhì)分布情況，以便于及時(shí)調(diào)整施工方案。

3.1 探地雷達(dá)預(yù)報(bào)技術(shù)

3.1.1 工作原理

相對(duì)于普通雷達(dá)，探地雷達(dá)是利用發(fā)射天線發(fā)射的高頻寬帶電磁波向掌子面前方傳播，遇到不同介質(zhì)后會(huì)產(chǎn)生反射波，被接收天線接收，技術(shù)人員利用電腦系統(tǒng)對(duì)反射波進(jìn)行處理，具體處理步驟如下：導(dǎo)入數(shù)據(jù)→1D濾波、校正→能量增益→2D 濾波→反褶積→偏移處理→導(dǎo)出圖像。

3.1.2 關(guān)鍵參數(shù)選擇

介電常數(shù)決定了隧道地下介質(zhì)的電導(dǎo)率，從而影響隧道預(yù)報(bào)精度，不同地下介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

表2 探地雷達(dá)介電常數(shù)選擇

發(fā)射天線頻率的取值不宜過(guò)高，否則難以查明掌子面前方的不良地質(zhì)。目前，隧道探地雷達(dá)常用的發(fā)射天線頻率有35 MHz、100 MHz、200 MHz，其探測(cè)距離約40～50 m、20～25 m、10～12 m。對(duì)于軟弱圍巖隧道，建議探地雷達(dá)天線頻率取200 MHz。

當(dāng)探地雷達(dá)介電常數(shù)和發(fā)射天線頻率固定后，可利用式（1）來(lái)估算其時(shí)窗W[4]。

式中，dmax——探測(cè)距離（m）；v——電磁波傳播速度（m/s）。

3.2 TGP 預(yù)報(bào)技術(shù)

TGP（Tunnel Geophysics Prediction）探測(cè)系統(tǒng)由波源、接收器、記錄和分析處理等單元組成，其中振源為系統(tǒng)激發(fā)地震波，需在隧道左、右兩側(cè)均勻地布置若干個(gè)炮點(diǎn)，并埋入少量炸藥；接收器用于接收反射地震波，記錄單元用于收集存儲(chǔ)地震波，分析處理單元室一套智能化軟件，能快速、準(zhǔn)確地輸出隧道超前預(yù)報(bào)結(jié)果，具體檢測(cè)原理如圖2 所示。TGP 技術(shù)的關(guān)鍵是確定炮點(diǎn)間距L，L值過(guò)大會(huì)減小同一有效波辨認(rèn)可靠性，反之，有效反射波段會(huì)縮短。結(jié)合相關(guān)研究成果，炮間距最大值Lmax可按式（2）估算：

圖2 TGP 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)示意

式中，L*——有效波視速度（m/s）；f——有效波頻率（Hz）。

相對(duì)于探地雷達(dá)，TGP 探測(cè)系統(tǒng)的一次性預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)，可達(dá)100～120 m，且探測(cè)時(shí)間多，對(duì)隧道施工影響小，單位長(zhǎng)度的預(yù)報(bào)費(fèi)用低，一般用于長(zhǎng)隧道或特長(zhǎng)隧道。

3.3 超前水平鉆孔法

超前水平鉆孔法是在開挖掌子面上用水平鉆機(jī)向前鉆探，將鉆取巖芯進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)來(lái)分析掌子面前方的地質(zhì)情況。該方法是軟弱圍巖超前地質(zhì)預(yù)報(bào)最直接的方法，但其預(yù)報(bào)成本高，占用施工時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)施工干擾大，在巖體破碎處容易出現(xiàn)卡鉆、鉆進(jìn)困難等問(wèn)題，一般是用于配合探地雷達(dá)法或TGP 探測(cè)法。

3.4 建議綜合超前預(yù)報(bào)體系

軟弱圍巖隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，以建立綜合超前預(yù)報(bào)體系，即選擇兩種或兩種以上的預(yù)報(bào)措施相互驗(yàn)證，以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。軟弱圍巖隧道綜合超前預(yù)報(bào)體系建立應(yīng)堅(jiān)持兩大原則：一是以隧道掌子面的地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)；二是要將物探方法與鉆探方法相結(jié)合。該文以該隧道的K10+800 斷面為基準(zhǔn)，首先利用探地雷達(dá)探測(cè)了其前方地質(zhì)情況，結(jié)果表明：掌子面前方3～5 m 處的反射波較異常，可能有巖溶病害。隨后，利用超前鉆孔法對(duì)巖溶空間分布特征進(jìn)行了確認(rèn)，建議及時(shí)將巖溶水排水，以免隧道出現(xiàn)突水、涌水等事故。

4 公路隧道質(zhì)量檢測(cè)分析

4.1 初期支護(hù)輪廓線檢測(cè)

軟弱圍巖隧道的初期支護(hù)輪廓線檢測(cè)可利用激光斷面儀，其測(cè)量原理為極坐標(biāo)法，具體闡述如下：以水平方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，按一定的角度、距離一次測(cè)定儀器旋轉(zhuǎn)中心與隧道開挖輪廓線間的矢徑及矢徑與水平方向的夾角，隨后將矢徑端點(diǎn)依次相連，得到實(shí)際開挖輪廓線，并與設(shè)計(jì)輪廓線進(jìn)行對(duì)比，以避免超欠挖情況發(fā)生。

4.2 錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)

軟弱圍巖隧道的支護(hù)錨桿可以以灌漿飽滿度、長(zhǎng)度比（實(shí)測(cè)長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的比值）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將錨桿質(zhì)量劃分成合格和不合格兩個(gè)等級(jí)，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示[5]：

表3 隧道錨桿質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.3 襯砌混凝土強(qiáng)度

混凝土抗壓強(qiáng)度不同，表面硬度也不同，回彈儀打擊在混凝土表面上的回彈高度也不同，且三者之間存在一定的比例關(guān)系，故可用回彈儀測(cè)量混凝土的抗壓強(qiáng)度。由《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23—2011）可知，回彈儀有重型和輕型兩種。當(dāng)隧道襯砌混凝土標(biāo)號(hào)低于C50，可采用中型回彈儀，反之，宜采用重型回彈儀，如果條件允許，建議采用自動(dòng)式或半自動(dòng)式回彈儀。

5 結(jié)語(yǔ)

該文以某山區(qū)高速公路軟巖隧道為研究對(duì)象，分析了其監(jiān)控量測(cè)、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及質(zhì)量檢測(cè)方法，得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）軟巖隧道監(jiān)控量測(cè)有必測(cè)項(xiàng)目和選擇項(xiàng)目，應(yīng)合理布置監(jiān)測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)，并建立預(yù)警機(jī)制。

（2）隨著隧道開挖時(shí)間的增加，其拱頂下沉和周邊收斂均增大，當(dāng)開挖25 d 后變形達(dá)到峰值。

（3）軟巖隧道宜堅(jiān)持物探與鉆探相結(jié)合的原則，利用探地雷達(dá)、TGP、超前水平鉆等技術(shù)建立綜合超前預(yù)報(bào)體系，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方的不良地質(zhì)。

（4）隧道質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)重視初期支護(hù)輪廓線、錨桿錨固質(zhì)量及襯砌混凝土強(qiáng)度等。