明月山公路隧道施工地質超前預報與圍巖變形監控量測研究

王　偉, 徐林生, 夏英宣,2, 陳國福

(1. 重慶交通大學, 重慶 400074； 2. 重慶市江北區交委, 重慶 400025;

3. 重慶市建設工程質量檢驗測試中心, 重慶 400020)

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明月山公路隧道施工地質超前預報與圍巖變形監控量測研究

王偉1, 2, 徐林生1, 夏英宣1,2, 陳國福3

(1. 重慶交通大學, 重慶 400074； 2. 重慶市江北區交委, 重慶 400025;

3. 重慶市建設工程質量檢驗測試中心, 重慶 400020)

【摘要】根據明月山隧道地勘資料預計可能存在的主要地質問題，采取以地質調查法為基礎，針對不同圍巖段落以超前鉆探法為主，結合地質雷達短距離探測和TGP長距離探測相印證的物探方法，進行綜合超前地質預報；結合施工實踐，對該隧道的地表沉降、拱頂下沉及水平位移收斂、錨桿軸力、鋼架內力及外力等進行跟蹤監控量測與分析研究工作，為該隧道動態設計施工提供了有效的科學決策依據。

【關鍵詞】隧道；超前地質預報；監控量測；動態設計施工

明月山隧道位于重慶市江北區境內，是連接復盛鎮與五寶鎮的重要交通干道，隧道全長2 415 m，屬長隧道，按二級公路標準設計，設計時速60 km/h。

隧道沿線地形、地貌為構造剝蝕低山、丘陵地貌單元，跨越大盛場向斜、明月峽背斜、洛磧向斜，最高海拔667.30 m，中部形成巖溶槽谷，兩側地形陡峭，為丘陵地貌(圖1)。隧道主要穿越第四系堆積層、侏羅系上沙溪廟組及三疊系嘉陵江組地層，巖層為：粉質黏土、泥巖和砂巖、白云巖和灰巖等，巖溶主要發育在底部白云質灰巖與嘉陵江組薄層灰巖接觸部位。隧道穿越地區發育有滴水巖斷層帶，滴水巖斷層帶由

三個同向斷層疊加組成，位于明月山背斜軸部，斷層走向與背斜軸線一致，傾向南東，傾角40°～70°，形成寬100～150 m的破碎帶。且該區域屬長江水系，淺層地下水豐富，主要為裂隙水，預計最大水量約2 000 m3/d。

圖1　明月山公路隧道工程縱剖面

地勘資料反應出該隧道地質水文條件較為復雜，對后期施工影響較大，為確保施工安全和質量，及時準確掌握隧道地質情況，為隧道施工管理者決策提供科學依據，該隧道建設單位與施工單位分別委托了第三方機構對隧道開展地質超前預報和圍巖變形監控量測工作，最大限度降低了施工風險，為隧道動態設計施工提供科學決策依據。明月山隧道施工的主要工程地質問題有：(1)洞口邊坡及淺埋段地表穩定問題；(2)斷層破碎帶、掌子面及拱頂圍巖自穩能力較差，存在塌落風險以及誘發斷層帶圍巖變形；(3)巖溶及裂隙水發育，存在涌水、涌泥等災害，少量頁巖地質下可能存在瓦斯危害。

1隧道施工的地質超前預報

1.1預報方法

隧道施工地質超前預報方法很多，主要有：地質調查法、超前鉆探法、物探法和超前導坑預報法等，各預報方法主要內容為：(1)地質調查法：包括隧道地表補充地質調查、洞內開挖工作面地質素描和洞身地質素描、地層分界線及構造線地下和地表相關性分析、地質作圖等。(2)超前鉆探法：包括超前地質鉆探、加深炮孔探測及孔內攝影。(3)物探法：包括彈性波反射法(地震波反射法、水平聲波剖面法、負視速度法和陸地聲吶法等)、電磁波反射法(地質雷達探測)、紅外探測、高分辨直流電法等。(4)超前導坑預報法：包括平行超前導坑法、正洞超前導坑法等。

明月山隧道由于地質條件較為復雜，采用了以地質調查法為基礎，針對不同圍巖段落以超前鉆探法為主，結合地質雷達短距離探測和TGP長距離探測相印證的物探法進行綜合超前地質預報。

1.2超前預報實例

K36+366段圍巖預報方法：在地表和掌子面觀測，掌子面地質素描；超前5 m及30 m水平鉆孔相結合，分析預報地質水文情況；采用地質雷達和TGP探測相結合的方法預報掌子面前方巖層完整性，并全程進行瓦斯監測。

圖2為掌子面地質素描、超前鉆孔布置及雷達測線理想布置示意圖，圖3為地質雷達掃描成果圖。通過超前鉆孔，地質雷達和TGP探測數據綜合分析認為，前方0～30 m范圍巖體完整性一般，節理發育；距掌子面0～10 m范圍內水文信號明顯，裂隙水發育。建議：(1)控制炸藥用量及開挖進尺，及時做好開挖段圍巖支護并埋設盲管；(2)開挖前做好超前支護，開挖過程中注意排危；(3)密切注意水的發展，加強排水措施。

圖2　隧道施工的掌子面地質素描、超前鉆孔布置及雷達測線布置示意

圖3　地質雷達掃描成果

1.3預報結果

根據數據統計，明月山隧道地質預報吻合率約為93 %，依據預報結果調整圍巖支護等級309 m，占比約13 %，有效指導了動態設計，對預報圍巖發育較差的段落提高圍巖支護等級；反之則降低圍巖支護等級，對裂隙水調整了排水措施增設盲管。達到了超前預報促進動態設計施工的目的，為明月山隧道平安順利貫通提供了科學依據。

2隧道施工的監控量測

2.1監測項目

監測項目分為必測項目和選測項目，根據明月山隧道情況，選擇的必測項目包括：洞內外觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉；選測項目包括：錨桿軸力、鋼架內力及外力、圍巖壓力、兩層支護間壓力、瓦斯濃度及攝像監控等。

2.2監測管理

為確保明月山隧道施工安全，建立了明月山隧道監控量測和超前地質預報會商制度。一般情況下，監測預報單位每周將近期測量結果分送各參建單位，每周召開會商，確定上周監測結果與施工情況符合程度，依據本周監測結果指導本周將開展的隧道施工。如遇預報圍巖級別與原設計不一致或開挖圍巖與預報結果及原設計不一致等情況時，填報圍巖分級判定卡，召集參建各方會商，確定圍巖級別。如遇監測預報結果發現隧道已支護段或掌子面前方異常，須立即通知相關單位，及時采取有效措施處置。

2.3監測結果與分析研究

2.3.1位移變形量測

位移變形量測包括地表下沉、拱頂下沉及水平收斂等指標，通過數據采集，函數擬合進行回歸分析，了解圍巖穩定性特征，指導隧道施工。明月山隧道典型地表下沉數據見圖4，典型拱頂下沉及水平收斂數據見圖5。通過分析位移累計值速率可知，隨時間推移累計變化量逐漸降低，反映出隧道正趨于穩定。

2.3.2受力變形量測

受力變形量測選取的錨桿應力見圖6，鋼架應力見圖7。兩項結果進行分析，通過累計值速率圖，可知受力變形有如下特點：一是受力單位各測點受力規律基本相同，元件埋設

圖4　K34+390地表下沉監測數據

圖5　K34+391拱頂下沉及水平收斂監測數據

圖6　K36+339錨桿應力監測數據

圖7　K34+430鋼架應力監測數據

30 d內受力增長快，基本達到最大值的90%以上，之后趨于穩定；二是量測元件和圍巖剛度不匹配，可能引起應力集中，但不影響測點應變隨時間的變化規律。

通過監控量測與分析研究工作，可以及時對隧道個別圍巖失穩趨勢的區段提供了預報，這就為施工單位及時調整支護參數以及合理確定二次襯砌時間提供了可靠的科學依據。通過量測分析發現,明月山隧道開挖及初期支護后大約30 d后圍巖應力基本釋放完畢，初期支護體系基本上穩定，因此建議施工單位及時跟進施作二次襯砌。

3結束語

明月山公路隧道施工歷時近3年時間，未發生過一起傷殘或死亡事故，完工通車3年后也未發現二襯裂縫及大面積滲水情況，是一個較為優質的工程。回顧發現，隧道圍巖及支護結構進行超前預報和監控量測對保證隧道工程安全和質量具有重要作用，并總結經驗和教訓如下：

(1)在復雜地質條件下修建隧道，開展動態反饋設計，實施信息化施工是非常必要的，其方法主要采用隧道地質超前預報和圍巖穩定性監控量測。

(2)明月山隧道施工地質超前預報取得成功，源于以地質調查法為基礎，針對不同圍巖段落以超前鉆探法為主，結合地質雷達短距離探測和TGP長距離探測相印證的物探法進行綜合超前地質預報。尤其是鉆探法中采取5 m與30 m探孔相結合，物探法中雷達30 m與TGP150 m探測相結合，并將地質法、鉆探法與物探法綜合的預報方式，相互驗證，提高了預報準確性。

(3)圍巖變形監測對隧道開挖方法、支護參數的確定、襯砌施做時間的選擇非常重要，應根據現場地質調查、地質超前預報、現場監控量測等信息進行綜合分析。

(4)為確保隧道施工質量安全，避免重大施工事故發生，建立會商制度非常必要，確保預報及量測數據及時用于指導隧道設計施工，不要讓預報量測工作流于形式。

參考文獻

[1]JTGT D70-2010 公路隧道設計細則 [S].

[2]JTGF60-2009 公路隧道施工技術規范[S].

[3]JTGT F60-2009 公路隧道施工技術細則[S].

[4]重慶市建設工程質量檢驗測試中心.明月山隧道監控量測及地質超前預報總結報告[R].2012.

【文獻標志碼】B

【中圖分類號】U456.3

[作者簡介]王偉(1983～)，男，本科，主要從事質量安全監督工作。

[定稿日期]2015-09-07