隧道工程中軟弱圍巖檢測(cè)技術(shù)研究

朱賢德，包寅杰

（浙江交科工程檢測(cè)有限公司，浙江 杭州 311200）

隧道施工過(guò)程具有程序多、內(nèi)容復(fù)雜、相互交叉、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，如何加強(qiáng)超期地質(zhì)預(yù)報(bào)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，確保隧道施工安全，已成為隧道施工過(guò)程中一個(gè)突出問(wèn)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(guò)程工程檢測(cè)中重之又重的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，隧道施工各階段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)也就成為核心問(wèn)題[1]。

1 工程背景

1.1 工程概況

隧道左線(xiàn)起止里程ZK0+230～ZK1+497，全長(zhǎng)1267m；隧道右線(xiàn)起止里程K0+280～K1+525，全長(zhǎng)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(jiǎn)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)睿狡露纫话銥?8～30°。山峰總的走向是從東到西，高度的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別為140m和20m。

2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

通過(guò)地質(zhì)勘查資料和設(shè)計(jì)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(bào)方法，提前預(yù)測(cè)該段的地質(zhì)狀況，并與地勘資料和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行核對(duì)，以指導(dǎo)施工。

2.1 設(shè)備儀器

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要由超前預(yù)報(bào)儀、觸發(fā)盒、起爆機(jī)、三分量傳感器等組成。超前預(yù)報(bào)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(cè)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(gè)炮孔20m，左右邊墻對(duì)稱(chēng)布設(shè)，與炮孔在同一水平線(xiàn)上[3]。（2）地震波震源炮孔24個(gè)，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(gè)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(chǎng)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(duì)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(bào)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(guò)程中要結(jié)合隧道開(kāi)挖面的實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析。為了便于預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際開(kāi)挖結(jié)果之間的相互驗(yàn)證，應(yīng)給出TSP成果圖。

2.4 檢測(cè)結(jié)果

（1）ZK1+140～ZK1+180，長(zhǎng)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(dòng)大，巖體破碎程度較大，屬?gòu)?qiáng)風(fēng)化石英巖。

（2）ZK1+180～ZK1+240，長(zhǎng)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(shí)應(yīng)注意巖塊的掉落，并做好支護(hù)措施。

根據(jù)對(duì)TSP法超前預(yù)報(bào)所收集到的資料分析結(jié)果，預(yù)測(cè)了隧道開(kāi)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(bào)結(jié)果與開(kāi)挖結(jié)果基本一致，并對(duì)ZK1+195-ZK1+240地勘資料和設(shè)計(jì)圖紙作了補(bǔ)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(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

3.1 建立基準(zhǔn)點(diǎn)

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(diǎn)（水平基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置、長(zhǎng)期保存和觀(guān)測(cè)需要確保堅(jiān)固的點(diǎn)）作為每個(gè)觀(guān)察點(diǎn)高程測(cè)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(diǎn)，形成觀(guān)測(cè)站的水平基點(diǎn)和水平控制網(wǎng)。

3.2 監(jiān)測(cè)量測(cè)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(guān)察斷面點(diǎn)后，可以使用監(jiān)視儀器收集數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集至少由2名專(zhuān)職人員負(fù)責(zé)，每個(gè)數(shù)據(jù)段至少連續(xù)測(cè)量3次，并將數(shù)據(jù)記錄在相應(yīng)的原始記錄表單中。測(cè)量時(shí)，首先記錄當(dāng)時(shí)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(shí)間及日期。對(duì)于收集的每個(gè)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(kāi)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。①根據(jù)監(jiān)測(cè)測(cè)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(xiàn)，并根據(jù)該斷面圍巖穩(wěn)定性是否隨時(shí)間減少，初步確定該曲線(xiàn)各段的可變率；②使用回歸分析對(duì)監(jiān)測(cè)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(jì)圍巖未來(lái)發(fā)展和變化趨勢(shì)；③基于信息反饋和預(yù)測(cè)。收集的監(jiān)測(cè)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(cè)的隧道圍巖模型，進(jìn)行圍巖數(shù)值計(jì)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(cè)地表沉降變形的結(jié)果與分析

對(duì)地表ZK1 245的巖體進(jìn)行了Ⅴ級(jí)軟弱圍巖分析，其巖石學(xué)為頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖，巖石結(jié)構(gòu)和破碎穩(wěn)定性較差。5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的整體變形曲線(xiàn)表明，隧道開(kāi)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(xiàn)越遠(yuǎn)，沉降越小，隧道開(kāi)挖正上方，即拱頂a點(diǎn)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(cè)

4.1 線(xiàn)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(xiàn)。隧道在水平方向共有5條測(cè)量線(xiàn)，分別為拱頂、左右拱腰以及左右側(cè)墻。三車(chē)道隧道需要在隧道拱頂部分加2條調(diào)查線(xiàn)。

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

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(guò)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(hào)，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(hào)是分布式新月形的強(qiáng)反射信號(hào)，表示每個(gè)反射信號(hào)都有一個(gè)鋼拱結(jié)構(gòu)。該雷達(dá)剖面，除擾動(dòng)波信號(hào)外沒(méi)有其他異常反射，襯砌混凝土結(jié)構(gòu)很密集，同時(shí)后部圍巖緊密結(jié)合。

（2）空洞及不密實(shí)帶。脫空及不密實(shí)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(hào)強(qiáng)、三振相明顯、底面反射界面強(qiáng)烈等特點(diǎn)；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(diǎn)。

圖1 脫空及不密實(shí)典型的雷達(dá)剖面

5 結(jié)論

在隧道施工過(guò)程中，通過(guò)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(xiǎn)。

（1）該隧道工程采用TSP方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，作為地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)手段，對(duì)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(bào)效果。選擇該隧道部分具有代表性的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，對(duì)ZK1+145～ZK1+150/ZK1+165～ZK1+170巖體進(jìn)行了破碎預(yù)測(cè)，并對(duì)ZK+195～ZK1+240巖體的破碎預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，是對(duì)地勘資料的一種有益補(bǔ)充。

（2）制定監(jiān)測(cè)量測(cè)的具體實(shí)施方案，并在地面沉降觀(guān)測(cè)中進(jìn)一步確定支護(hù)和圍巖變形情況，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工提供了可靠的保證。

（3）探地雷達(dá)探測(cè)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。