公路隧道穿越軟弱破碎圍巖綜合施工及監測技術研究

祁文睿，高永濤

(北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

0 引言

近年來，隨著高速公路和鐵路建設不斷的擴展，隧道工程的修筑也越來越常見，且經常面對的是極其復雜的地質條件。軟弱破碎圍巖地段是一種常見的不良地質體，在隧道開挖施工過程中經常需要穿越這種不良地質體。然而，由于這種不良地質體巖體極其破碎，富水性好以及強度低，施工過程中易誘發塌方、突水和突泥等災害，導致不必要的經濟損失和人員傷亡。因此，有必要開展相應的研究以保證隧道施工安全高效[1-3]。

國內外巖土工程研究者關于軟弱破碎圍巖地段隧道開挖施工，進行了許多的研究工作，并取得了一些研究進展。李利平等[4]以某隧道為背景，開展了雙線隧道大斷面開挖的大型地質力學物理模型試驗，揭露了在不同工法工況下隧道穿越軟弱破碎地層過程中圍巖變形的三維演化規律。王章瓊等[5]提出采用打設泄水、小導管注漿和超前管棚等綜合施工方案用于控制隧道穿越斷層破碎帶時塌方涌水災害。周毅等[6]利用數值分析軟件FLAC3D，系統地研究了不用埋深條件下多種開挖工況對隧道軟弱破碎圍巖施工變形的影響，提供了最優的開挖進尺對于變形的控制。馬棟等[7]基于現場試驗手段，提出了基于分水降壓和內堵外固的高鐵隧道通過富水斷層破碎帶綜合處治措施，最終隧道安全穿越破碎帶。朱合華等[8]依托隧道軟弱破碎帶圍巖工程，基于室內相似模型試驗和數值模擬方法，再現了隧道破碎地層開挖圍巖漸進性破壞過程和應力場特征。龔成明等[9]探討了隧道穿越斷層破碎帶的安全施工技術，為控制災害的發生提供了依據。李玉生等[10]根據物理模型試驗研究了隧道穿越破碎帶時突水涌泥機理。Kimura F等[11]討論了在富含黏土的巖石地層中，隧道穿越大型的斷層破碎帶時的支護加固技術。雷軍等[12]依托烏鞘嶺隧道開挖通過F7斷層破碎帶工程，基于現場實時監測信息動態優化設計和改進施工措施，保證了隧道安全快速的施工。

盡管關于隧道穿越斷層軟弱破碎區施工的課題開展了許多研究，但是大多數研究是基于室內試驗和數值模擬手段進行開展的，這兩種研究手段均是在理想環境進行，許多條件都進行了簡化和假設，并不能充分考慮隧道施工現場的復雜地質條件，導致研究結果缺乏普遍適用性。因此，根據某公路隧道穿越F139軟弱破碎地段工程，基于現場試驗研究手段，開展了軟弱破碎區綜合超前地質預報、綜合開挖加固技術以及破碎區圍巖變形綜合實時監測技術研究，保障了公路隧道安全順利通過破碎帶，以期為同類隧道工程提供指導和參照。

1 工程概況

1.1 隧道及工程水文地質概況

北京段某高速公路工程全長33.2 km，其上設置了一座雙向4車道高速隧道(設計時速80 km/h)，隧道進京線起訖里程為ZK16+346.6～ZK20+965，長度為4.618 km，隧道出京線起訖里程為YK16+342～YK21+022，長度為4.680 km。該公路隧道是分離式的中等跨度隧道，單洞建筑物界限尺寸為11.0 m×5.5 m，隧道進出口平面設計為縱向坡度2.6%的單向坡，設計荷載為公路-I級，抗震設防烈度為8級，隧道施工過程中采用縱向式的機械通風方式為隧洞內供風。

地勘報告顯示，隧址區地質條件復雜多變，主要地層包括第四紀坡積、洪積層、長城系以及太古界，其中第四紀坡積和洪積層連續分布，厚度大約為0.8～3.5 m；長城系基巖層包括常州溝組石英砂巖、串嶺溝組黑色頁巖以及大紅峪組石英砂巖；太古界片麻巖基巖層分布于背斜地層的核部。隧道洞身主要以IV和V級圍巖為主，IV圍巖占了雙洞隧道總長的43.68%，V級圍巖占了雙洞隧道總長的51.76%。隧址區地下水豐富，地質構造發育，主要為褶皺和斷裂帶構造，其中包括6條軟弱斷層破碎帶，分別為斷層F137，F138，F139，F140，F141和F142，其中F139斷層破碎帶及其影響范圍對隧道開挖施工的影響最大。F139斷層為典型的正斷層，產狀為181～187°∠75°，斷層寬度為150 m(起訖里程YK20+450～YK20+600)，與隧道出京線相交里程為YK20+450，該段隧道埋深約45～115 m。包含F139斷層的出京線縱斷面圖如圖1所示。斷層帶內巖體破碎，裂隙結構面發育嚴重，膠結性差，構造裂隙水發育，破碎帶圍巖主要為密云群中等風化片麻巖和長城系強-中等風化變質石英砂巖和板巖，其中還包含大量的構造角礫巖。破碎帶圍巖等級為V級，工作面圍巖強度低、自穩性極差，施工過程中操作不當或受到擾動易發生塌方、突水等災害。

圖1 含F139斷層破碎帶隧道縱斷面圖Fig.1 Profile view of tunnel with F139 fault fracture zone

1.2 施工技術難點分析

F139軟弱斷層破碎里程(YK20+450～YK20+600)施工過程中，掌子面被裂隙結構面互相切割，穩定性差，巖體破碎，內摩擦角低，經常觀察到自然滑塌現場。2018年3月2日，隧道開挖施工到掌子面里程YK20+495.5時，現場施工人員正在施作鋼拱架，掌子面右拱肩發生塌方，塌落高度約為2.5～4 m，寬度約為3～5 m，所幸人員撤離及時，沒有導致人員地傷亡，另外還觀察到塌方后，掌子面圍巖還自然地往下掉塊，自穩性極差，圍巖風化嚴重，呈現出松散的似土狀。2018年3月15日下午，隧道開挖施工到掌子面里程YK20+531.6時，在掌子面上臺階鉆孔過程中前方突發突水事故，起初水流量與水壓較大，一段時間后水壓逐漸變小，水流涌出時伴隨著泥土的涌出，嚴重地耽誤進度和施工作業。因此，針對軟弱斷層破碎帶施工面臨的難點，亟需開展斷層破碎帶開挖施工與支護的綜合技術研究，并實施實時監測破碎圍巖的變形規律研究，及時反饋圍巖變形特性，保證隧道順利通過破碎區。

2 隧道穿越軟弱破碎圍巖區段綜合施工技術

針對F139軟弱斷層破碎帶YK20+450～YK20+600里程段圍巖破碎，自穩性差以及現場遇到的施工技術難點，提出采用“綜合超前地質預報準確預判掌子面前方不良地質的賦存狀態、短進尺3臺階7步開挖施工方法、地表預注漿加固以及雙排小導管超前支護”的綜合施工方案超前加固了破碎圍巖體并起到堵水功效，最終保證了隧道安全高效穿越F139軟弱破碎圍巖地段。

2.1 綜合超前地質預報

在隧道掌子面開挖施工之前，開展超前地質預報研究，能夠提前判斷掌子面前方的復雜地質條件，進一步確定圍巖等級以及變更情況，為后續選擇合理經濟的施工方法提供了參考依據。目前為止，超前地質預報的施作變成了隧道工程必不可少的環節，也是確保隧道施工安全的關鍵措施之一。對于軟弱斷層破碎帶地段，地質條件復雜多變，圍巖穩定性差，富水條件好，荷載擾動下易發生塌方和突水等地質災害，因此，開展科學先進的超前地質預報工作對于隧道高效施工顯得格外得重要[13]。

根據F139軟弱斷層破碎帶現場實際施工狀況以及勘察設計資料，現場開展了基于隧道地震預報、探地雷達、超前地質鉆探以及孔內成像的綜合超前地質預報研究，通過各種方法的判斷結果相互解釋和驗證以準確地判斷和揭露掌子面前方的地質條件，包括斷層的賦存條件和形態、富水情況和其他潛在的不良地質體。

2.1.1 隧道地震預報

隧道地震預報(TSP)屬于一種彈性波探測法，有效的探測距離能夠達到100～150 m，是一種中長距離的探測方法，其基本原理是采用人工激發地震波遇到不良地質體(比如斷層、溶洞)所產生的反射波特點來預判掌子面前方的地質條件，反射波通過三分量接收器進行接收[14]。隧道施工采用的TSP203Plus進行超前探測，參數設定為：記錄單元24位A/D轉換，采樣間隔62.5 μs，動態范圍120 db，接收器頻率范圍0.5～5 000 Hz，記錄長度512 ms，數據的采集和處理采用TSPwin軟件。

在掌子面里程YK20+460處施作TSP超前地質預報，以探測YK20+460～YK20+600范圍內的地質狀況，預報結果如圖2所示。從圖2可以看出，里程YK20+460～YK20+500范圍內，巖體力學參數(包括速度、泊松比、縱波橫波速度比以及靜、動態楊氏模量)變化較為穩定，沒有較大的波動，反射面數量不多且比較分散，表明該里程段范圍內圍巖裂隙發育但不是很嚴重，巖體中等風化，圍巖穩定性一般，地下水弱發育。然而，里程YK20+500～YK20+600范圍內，上述巖體力學參數變化浮動明顯增大，局部震蕩較為明顯，并且觀察到反射面數量迅速增加，分布較為密集(見圖2中虛線框所示)，上述現象表明，所研究的里程范圍內巖體破碎，巖質較軟，裂隙結構面分布廣泛，圍巖受強風化作用，松散破碎，地下水發育，圍巖穩定差，屬于F139斷層破碎帶的核心影響區段，施工過程中應采取合適技術措施，開挖進尺縮短，及時加強支護和開展實時監控量測作業，保證施工安全。

圖2 TSP超前地質預報結果Fig.2 Result of TSP advanced geological forecast

2.1.2 探地雷達

探底雷達(GPR)屬于一種電磁波探測方法，探測距離為掌子面前方15～30 m范圍，屬于短距離超前探測方法，其原理主要是采用寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射來探測前方的目標體[15]。現場探測采用的是瑞典RAMAC/GPR(ZL1 504)型地質雷達以及100 MHz屏蔽天線。探測過程的參數設置如下：采樣頻率為1 050 MHz，采樣點數512，自動疊加的測量方式，觸發間距為0.1 m。現場雷達探測測線布置呈“井”字形，包括4條測線(測線1～4)，分別為2條水平測線和2條豎直測線，測線布置示意圖如圖3所示。

圖3 雷達測線及超前地質鉆孔布置示意圖(單位 ：m)Fig.3 Schematic diagram of radar survey line and advanced geological drilling layout(unit:m)

利用地質雷達在掌子面YK20+486.5里程開展預報，探明前方30 m的地質狀況，探測結果如圖4所示。從4條測線的探測結果中可知，在工作面前方2～15 m范圍內，電磁波信號呈現出中高頻現象，能量聚集，分布非常不均勻，沿掌子面前方能量衰減較快，波形雜亂無章，表現出不均一性，同相軸錯段不連續，電磁反射波的波組同向性較差，波的振動幅度較大，局部區域觀察到散射和繞射的現象。這些描述表明該范圍內巖體破碎嚴重，裂隙結構面發育，圍巖穩定性差，局部還存在軟弱物質充填，遇到容易軟化，巖體強度低。而15～30 m深度范圍內，電磁波信號具有一定的連續性，振幅不明顯，信號以中低頻占多數，但局部依然觀察到同相軸時斷時續，反射信號紊亂，表明該探測范圍內圍巖整體性稍好，節理裂隙只是在局部發育，這些區域可能含有水，結構松散，也可能是軟弱帶或夾層。因此在施工過程中要注意及時加強支護，減少巖體的暴露時間，預防塌方掉塊和突水災害的出現。

圖4 YK20+486.5里程雷達探測結果Fig.4 Result of radar detection at mileage YK20+486.5

2.1.3 超前地質鉆孔及孔內成像

為了進一步探明掌子面前方的地質條件，在上述物探法的基礎上，繼續開展鉆探法超前探測，前者屬于無損探測，后者屬于有損探測。本次超前地質鉆探預報的孔位布置如圖3所示，即在掌子面上鉆鑿3個水平地質鉆孔，分別為1#，2#和3#鉆孔，孔的直徑均為120 mm。2018年2月27日，現場施工人員操縱超前水平鉆機在YK20+486.5里程進行掌子面前方35 m距離的超前預報(即里程YK20+486.5～ YK20+521.5區段)，以更準確地了解前方的地質條件。根據現場施工結果可知，前15 m范圍內，巖體較為堅硬，穩定性和裂隙發育一般，巖石中等風化為主，水系發育不大嚴重，只觀察到少量的水流。相反，鉆鑿后20 m施工過程中，巖體明顯破碎，結構面發育嚴重，呈現出強風化的特征，地下水流量較大，圍巖自穩性較差。

此外，為了更為直觀地反映孔內巖體的特征、富水情況以及裂隙的發育特征程度，基于孔內成像原理在YK20+486.5里程對于上述3個水平鉆孔進行鉆孔探測成像。采用的成像設備是天宸TS-CD01鉆孔多功能成像分析儀，圖5顯示了3個鉆孔在10,20,30 m處的成像結果。從圖中可以看出，相比鉆孔內10 m位置，30 m處水量明顯增大，巖體更為破碎，風化更為嚴重，表明孔內后半段圍巖自穩性更差，節理裂隙發育嚴重。此外，成像結果中還觀察到了巖體褐黃色的浸染構造，這是由于風化作用導致的結果。

圖5 1#～3#鉆孔孔內成像Fig.5 Imagings in 1st to 3rd drilling holes

上述現場試驗探測結果表明，超前地質鉆探及孔內成像的探測結果與TSP探測、探地雷達的探測結果較為吻合，綜合探測結果顯示，YK20+490～YK20+600里程段是F139軟弱斷層破碎帶的核心地段，此區段圍巖破碎嚴重，穩定性差，巖體受風化作用影響大，強度低偏軟，地下水豐富，開挖施工過程中要及時施作超前加固措施，控制支護作業施作時間，盡量發揮圍巖的自承能力，采用短進尺弱爆破施工方式減少對圍巖的擾動，提高圍巖的自穩性，保證施工安全。

2.2 開挖施工方法

根據施工現場情況以及綜合超前地質預報結果，提出采用3臺階7步開挖施工方法[16]。施工過程中需要合理控制弧形導洞的開挖進度，利用分部開挖的方式進行施工，采用控制爆破方法開挖，優化爆破施工參數，防止爆破震動荷載導致圍巖坍塌，當遇到圍巖極其破碎時，可在隧道拱頂位置施作豎向臨時方木支撐。本區段設計為V級圍巖，襯砌類型為Vc級復合加強型襯砌支護形式，隧道開挖的循環進尺為兩環鋼架的距離，鋼架設計為HW175型鋼架，間距取決于實際圍巖情況，采用的錨桿類型為普通中空注漿錨桿，長度為3.5 m，設計預留變形量為12 cm。

2.3 地表預注漿

針對F139軟弱斷層破碎核心影響地段(里程YK20+490～YK20+600，長度110 m)，且埋藏深度不大于65 m的區段，隧道施工開挖之前實施地表預注漿作業，提前加固破碎圍巖體，改善圍巖體的力學性能。地表預注漿加固采用直徑為50 mm PVC注漿管進行注漿，注漿加固的橫向范圍為隧道中心軸線兩側各10.8 m，豎向加固深度范圍為隧道隧底以下3 m。注漿孔分為帷幕孔和內部孔，帷幕孔也稱外部孔，布置在最外側，施工過程中應該先對帷幕孔進行注漿形成帷幕墻抑制內部孔注漿時漿液的流失，再施作內部孔注漿，形成一種以帷幕孔注漿為約束和以內部孔注漿進行發散的間隔式的跳孔注漿模式。帷幕孔注漿材料采用普通水泥-水玻璃雙液漿，額外加入水泥重量2%～3%的速凝劑，以加快漿液的凝固時間，內部孔注漿材料采用單液漿注漿(摻HPC同性能的普通水泥)。注漿期間利用剛性材質的袖閥管自孔底向孔口進行注漿，是一種后退式分段注漿加固過程，地表注漿的詳細施工參數如表1所示。

表1 地表注漿施工參數Tab.1 Construction parameters of surface grouting

2.4 雙層小導管超前注漿

除了洞外地表預注漿，洞內還施作雙層注漿小導管超前加固隧洞周圍巖體，減少周邊巖體的變形和位移。雙層注漿小導管施工的關鍵點在于隧道施工開挖之前，沿著隧道開挖邊緣鉆鑿一定直徑的雙層布置的鉆孔，然后打入具有一定數量注漿孔的鋼管，漿液通過鋼管表面布置的注漿孔到達破碎圍巖體，充填巖體中的裂隙孔隙并固結破碎圍巖體，從而在隧洞周圍形成一圈密實的加固圈，提高周圍巖體的物理力學參數和抵抗變形的能力。對于F139軟弱斷層破碎帶地段，隧道開挖施作雙層小導管施作過程中，第1層(最外層)小導管角度設定為22°～30°，其加固作用機制是錨桿加固作用和加固注漿作用；第2層(最內層)小導管角度設定為5°，其加固作用機制是梁的作用，即形成穩固巖體和鋼拱架兩端固定的固端梁模型，提高巖體的穩定性和強度，防止巖體塌落。雙層小導管布設在拱部150°范圍，最外層施作46根，最內層施作45根，每根小導管的長度為4.5 m，注漿材料為普通水泥砂漿單液，現場詳細的施工參數如表2所示。

表2 雙層注漿小導管施工參數Tab.2 Construction parameters of double-layer grouting pipes

3 隧道穿越軟弱破碎圍巖變形綜合監測技術

隧道施工過程中，監控量測已經成為一個必不可少的措施環節，也是保證隧道安全高效施工的關鍵措施之一。基于實時動態監測結果能夠及時調整隧道施工方案和施工參數，并能為地質災害的預報提供前期的預警。隧道圍巖變形監測是監控量測的一個必測項目之一，也是最重要和最常見的監測指標之一[17-18]。

F139軟弱斷層破碎帶自穩性差，巖體破碎，盡管施工過程采用了上述超前加固支護措施，圍巖的力學特性得到很大的改善，但是由于巖土工程體的賦存條件復雜，存在很多的不確定性和不可控制性，故在施工過程中依然需要實時監測圍巖體的位移變化規律，根據圍巖變形特點的反饋信息為現場施工作業提供參考，以保證隧道施工作業安全。隧道施工過程中提出綜合采用基于全站儀+反光片監測和基于三維激光掃描儀監測兩種方法開展對圍巖變形特性研究。

3.1 基于全站儀的監控量測

3.1.1 監測點的布置

根據隧道現場施工采用的開挖方法以及《公路隧道監控量測技術規程》(DB13/T2177—2015)，在隧道通過F139軟弱斷層破碎帶施工過程中，沿著隧道軸線布置了10個監測斷面(50個監測點)，從第1個監測斷面YK20+500開始，按照每隔10 m的斷面距離依次增加，一直到斷面YK20+590，每個監測斷面布設1條沉降測線和2條收斂測線(H1和H2)，詳細的監測點布置如圖6所示。

圖6 監測斷面測點布置圖Fig. 6 Layout of measuring points on monitoring section

3.1.2 監控量測結果分析

隧道施工期間采用徠卡TCRA1201全站儀+反光片開展圍巖的變形實時監控量測作業。由于篇幅有限，只列舉了5個典型監測斷面(YK20+500，YK20+520，YK20+540，YK20+560和YK20+580)40 d以來的圍巖體變形規律，監測結果如圖7所示。從圖中可知，5個量測斷面的累計拱頂沉降表現出起初急劇增加，然后短暫的穩定，緊接著小幅度的增加，最后趨于穩定的規律，YK20+500，YK20+520，YK20+540，YK20+560和YK20+580斷面最終的沉降值分別為27.6, 30.6,33.6,36.1，39.1 mm。累計周邊收斂也大部分表現類似的規律，其中，5個斷面中測線H1的累計周邊收斂最大值為37.5 mm，測線H2的累計周邊收斂最大值為34.3 mm，參考監控量測規范可知，上述變形值滿足設計的要求。

圖7 基于全站儀的圍巖變形監測結果Fig.7 Monitoring result of surrounding rock deformation based on total station apparatus

3.2 基于三維激光掃描的監控量測

3.2.1 三維激光掃描變形監測概述

基于全站儀+反光片方式僅僅能得到隧道斷面輪廓部分點的圍巖變形規律，而采用三維激光掃描方法能夠一次獲得整個隧道斷面輪廓的變形特性。利用該方法測量施工過程中，圍巖變形的測量原理為：隧道施作初支混凝土之后，立即采用三維激光掃描儀對該斷面輪廓進行第1次掃描，將獲得的實測斷面輪廓與設計資料提供的斷面進行對比分析。待初期支護變形穩定之后(大概15～20 d)，對該里程內同一個斷面輪廓進行第2次三維激光掃描，將第2次測量得到的斷面輪廓數據與第1次得到的輪廓進行套合對比，兩者的差值即是該施工時間內圍巖的累計變形量。相比傳統的變形監測方法，基于三維激光掃描技術的測量方式能夠獲得更多的空間信息，測量精度較高，測量范圍也較大[19-20]。

3.2.2 監控量測結果分析

隧道施工過程中，采用Trimble SX 10型三維激光掃描儀開展圍巖變形監測研究，考慮到篇幅有限以及表述的方便，僅僅分析了YK20+540斷面在開挖15 d之后上臺階輪廓的變形特性。對YK20+540斷面先后進行了2次三維激光掃描，如圖8所示，其中非閉合輪廓線代表設計的初支斷面，閉合輪廓線代表掃描得到的初支斷面，2次掃描獲得的斷面輪廓數據的差值即為凈空累計變形。基于上述掃描輪廓數據，圖9直觀地顯示了YK20+540斷面在開挖15 d之后上臺階輪廓的變形規律，從圖中可得出，上臺階開挖15 d之后，從左邊墻到右邊墻，圍巖的累計變形大體上表現出先增大，然后再減少的漸進變化規律。在拱頂位置附近呈現出最大的變形，最大累計變形達到了0.021～0.023 m，這與全站儀測量的結果(15 d的拱頂沉降為25.4 mm)較為吻合，而在左邊墻和右邊墻附近的變形最小，最小變形為4 mm。

圖8 基于三維激光掃描技術的斷面YK20+540位置處初支位移(單位：m)Fig.8 Deformation of initial support at section YK20+540 based on 3D laser scanning technology (unit: m)

圖9 斷面YK20+540上臺階輪廓的變形規律Fig.9 Deformation rule of stair profile on section YK20+540

基于上述兩種監控量測方法的研究結果，隧道施工開挖施工通過F139軟弱斷層破碎帶時，圍巖變形均在設計范圍之內，沒有出現較大局部變形和塌方，一方面驗證了提出的綜合施工措施的有效性和合理性;另一方面，也說明了基于三維激光掃描技術的圍巖變形監測是可靠的和實用的。

4 結論

依托北京某高速公路隧道穿F139軟弱破碎圍巖地段工程，分析了施工現場面臨的重難點問題，采用現場試驗手段研究了一種隧道通過軟弱破碎圍巖的綜合施工技術，并建立了一套基于全站儀和三維激光掃描儀等先進技術手段的隧道圍巖變形綜合監控量測體系，以指導和動態調整軟弱破碎帶隧道施工方案和支護參數，得出以下結論：

(1) 實施了基于隧道地震預報、探地雷達、超前地質鉆探及孔內成像的綜合超前地質預報作業，準確預判了F139軟弱斷層破碎區的核心影響范圍以及裂隙結構面發育和富水狀況，降低施工過程中潛在的風險。

(2) 提出了采用短進尺3臺階7步法開挖、地表超前預注漿以及雙層小導管超前注漿加固的隧道通過軟弱破碎地段綜合施工技術，以確保隧道安全通過軟弱破碎區段。

(3) 建立了基于全站儀+反光片和三維激光掃描儀等先進技術手段的監控量測體系，變形規律表現為拱頂沉降和周邊收斂均呈現出先急劇增長，再保持基本穩定，然后緩慢增加，最后趨于穩定。最大的沉降位移為39.1 mm，最大的收斂位移為37.5 mm，均滿足允許的變形規范。

(4) 開展綜合超前地質預報、綜合施工開挖加固技術和綜合監測體系等現場試驗的研究，保證了公路隧道順利安全地通過了F139軟弱破碎圍巖區段。