圍巖快速分級和松動圈測試應用研究

胡克輝

(中鐵十九局集團第一工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 引言

由于勘察技術手段和勘察工作量的局限性，以及現行隧道工程設計理論尚不成熟，加上我國基礎設施的迅猛推進而涉及更多樣化的地質環境，從而決定了隧道工程設計與施工的不可預知性、復雜性和高風險。目前，隧道施工基本上還是以預設計指導施工，結合動態設計的信息化施工為主。隧道結構設計中的圍巖分級和松動圈厚度問題至為關鍵，對隧道結構設計與施工安全影響極大，導致隧道工程事故也屢有發生。因此，多年來隧道工程領域的專家學者一直對施工過程中圍巖快速分級和松動圈厚度現場測試進行著大量研究工作，旨在為隧道工程動態設計提供更為準確的設計參數。

隧道圍巖穩定性分級是隧道工程中的一項基礎性工作，尤其是施工過程中圍巖快速分級是支護結構動態設計與施工的重要依據[1－3]。張長勝[4](2018)基于圍巖基本質量指標，結合巖石強度和巖體完整性系數提出隧道施工圍巖快速分級方法；王睿[5]等在張長勝等人工作的基礎上，基于聲波－回彈聯合測試法，利用BP神經網絡模型預測巖石強度；李永志[6]等基于綜合超前預報與掌子面地質素描相結合的方法構建了隧道動態圍巖分級框架。

關于圍巖松動圈的研究成果較為豐富。劉剛[7](2021)等人總結論述了巖石強度準則和數學模型法計算松動圈厚度的研究現狀，并對兩種方法模型推導和工程應用條件進行了分析；桑運龍[8](2019)、高威[9](2020)、劉永勝[10](2020)等人研究了爆破對圍巖松動圈范圍的影響；夏舞陽[11](2018)等采用多點位移計法和地質雷達法相結合測試了鷓鴣山隧道變質軟巖的松動圈范圍；黃鋒[12](2016)、王守慧[13](2019)、鄭星[14](2020)、譚忠盛[15](2021)等人采用聲波法對砂巖、泥巖、粉砂巖夾炭質板巖類圍巖的松動圈范圍進行測試分析，取得了很好的效果。

可見，在圍巖松動圈測試方法中，聲波法起步較早，技術較為成熟，在我國隧道工程中應用廣泛。由于巖土的生成環境和賦存環境的差異，加上施工方法的不同，施工過程中圍巖松動圈測試范圍有很大差異，需要不斷積累，才能為設計提供更為全面準確的依據。鑒于此，本文以吉圖琿客運專線小盤嶺1?！?＃隧道施工中遇到的碳化泥質板巖為研究對象，基于巖石強度和聲波測試數據分析，開展了圍巖快速分級和松動圈范圍研究，為隧道施工提供了準確設計參數和變更依據，確保了隧道的施工與運營安全。

2 工程概況及測試方案

2.1 工程概況

中鐵十九局集團有限公司承建吉圖琿鐵路JHSⅦ標段工程項目，標段全長39.353 km。標段內的小盤嶺1?！?＃隧道遇到碳化泥質板巖，該巖呈灰色～灰黑色，板狀～片狀構造，節理裂隙發育，巖體較為破碎，富水，穩定性差。隧道施工中圍巖初支變形大，圍巖失穩屢發，嚴重影響了隧道施工進度。

通過調研表明，對該類地質條件下隧道圍巖的穩定性及支護結構的設計優化較少。因此，本文開展圍巖快速分級和松動圈范圍的研究工作，除了解決本工程的實際難題外，也能為以后類似工程建設積累實踐經驗。

2.2 單孔－雙收聲波測試方案

2.2.1 測試方法

聲波探測采用單孔－雙收的換能器組合方式測試，見圖1。測試組件包括發射換能器、2個接收換能器、RSM-SY5聲波儀和筆記本電腦，見圖2。

圖1 超聲波法單孔－雙收示意

圖2 RSM-SY5聲波測試組件

將測試傳感器組件插入預先打好的鉆孔內，開啟水泵，將鉆孔中注滿水；啟動發射接收器，聲波發射器發射出特定波長聲波，透過水的耦合作用，聲波通過傳遞速度最快的巖體傳播，接收器1、2分別在不同延時后接收到該波，記錄下該波到達的起始時間；接受器1、2的距離除以傳遞時間，可以得到聲波在該位置巖體中的傳播速度，該速度值可通過與傳感器組件連接的電腦程序獲得；得到該點傳播速度后將傳感器組件沿鉆孔壁拉出一定的距離(50 cm)即可變換測試點位置，可測得不同深度處的巖體傳播速度；將這些速度點對比分析，進而得到整個隧道松動圈的相關數據信息?，F場測試工作見圖3。

圖3 現場監測

2.2.2 測試方案

典型監測斷面選擇首先考慮工程地質和力學性質的代表性，結合現場實際情況，在小盤嶺1?！?＃隧道共選取10個監測斷面，實際完成9個斷面，具體見表1。每個監測斷面布置3個測孔，拱頂1個、兩側拱腰各1個，探孔徑向深度均為8 m，孔徑為50 mm。斷面測試孔的波速與深度代表性曲線見圖4。

表1 小盤嶺1＃～3＃隧道超聲波測試實際完成斷面

圖4 小盤嶺1＃隧道松動圈測孔代表性聲波

3 碳化泥質板巖松動圈測試分析

基于圍巖擾動區松動后，與未擾動區之間會出現顯著的波速差異，并根據掌子面圍巖情況，綜合判斷圍巖松動圈的厚度。通過曲線分析，3座隧道各監測斷面的松動圈厚度范圍見表2。

表2 小盤嶺1?！?＃隧道各監測斷面松動圈厚度范圍 m

由表2可以看出，小盤嶺3座隧道各監測斷面的拱頂和右拱腰位置的松動圈厚度平均值分別為5.35 m和5.19 m，相差不大；而左拱腰位置的松動圈厚度平均值在5.91 m左右，明顯大于拱頂和右拱腰。現場調查驗證發現，左拱腰至拱頂范圍圍巖破碎、碳化嚴重，拱頂至右拱腰部分圍巖情況稍好，說明了測試分析結果與實際較為吻合。

4 碳化泥質板巖圍巖初步分級

圍巖分級主要考慮影響圍巖穩定性的諸多因素，可單獨考慮或組合考慮，包括:(1)巖石的物理力學指標或工程指標；(2)波速等綜合指標。根據我國2017年頒布的?鐵路隧道設計規范?(TB 10003—2016)中的圍巖分級方法，本文采用圍巖完整性、飽和單軸抗壓強度和波速指標進行施工期圍巖快速分級。

4.1 地質情況及圍巖完整性

隧道掌子面圍巖為弱～強風化碳化泥質板巖，灰黑色，較為破碎，滴滲水，遇水易崩解，自穩性差。

4.2 碳化泥質板巖飽和單軸抗壓強度

室內強度試驗得到碳化泥質板巖飽和單軸抗壓強度平均值為20.6 MPa(見表3)，按照現行隧道設計規范，該碳化泥質板巖可定義為破碎或極破碎的軟質巖，圍巖等級定為Ⅴ級。

表3 碳化泥質板巖飽和抗壓強度

4.3 碳化泥質板巖聲波分析

對9個斷面27個測孔波速測試數據統計分析，本工程小盤嶺1?！?＃隧道各個監測斷面松動圈內的圍巖波速范圍在1.18～1.76 km/s之間，平均值為1.29 km/s；松動圈外的圍巖波速范圍在1.88～2.40 km/s之間，平均值為2.06 km/s，見圖5。說明松動圈范圍內的碳化泥質板巖受施工影響，結構更為破碎，穩定性很差。

圖5 小盤嶺1?！?＃隧道聲波速度測試值

按照規范碳化泥質板巖的巖性類型應為C類，圍巖依據彈性波速度在2.0～3.0 km/s之間，應定為Ⅴ級圍巖。

綜合上述分析，可以判定小盤嶺1＃～3＃隧道涉及的碳化泥質板巖均為Ⅴ級圍巖，個別地段由于風化程度和構造不同而稍有差異。

5 研究結論及應用

本文通過非金屬超聲技術對吉圖琿客運專線小盤嶺1＃～3＃隧道的碳化泥質板巖地層的掌子面圍巖進行了波速測試，依據測試結果，并結合現場工程地質特征調查和強度試驗，實現了施工中的圍巖快速分級和松動圈范圍確定。

(1)測試結果分析表明，小盤嶺隧道遇到的弱～強風化碳化泥質板巖的松動圈厚度范圍在4.90～6.16 m之間；左拱腰、拱頂和右拱腰位置的松動圈厚度平均值分別為5.91 m、5.35 m和5.19 m。

(2)強風化碳化泥質板巖強度低，屬于軟質巖，節理裂隙發育，完整性差。松動圈內圍巖波速范圍在1.18～1.76 km/s之間，平均值為1.29 km/s；松動圈外圍巖波速范圍在1.88～2.40 km/s之間，平均值為2.06 km/s。綜合判定小盤嶺隧道遇到的弱～強風化碳化泥質板巖圍巖為Ⅴ級圍巖，與現場調查結果較為一致。

(3)現場測試松動圈厚度超過5 m，大于原設計4.0 m的錨桿長度，錨桿未起到加固圍巖的作用。根據測試結果，隧道錨桿長度增加至6.0～6.5 m，徑向注漿深度增至5 m。后續施工未發生圍巖失穩情況，錨桿支護起到了很好的效果。

綜上，超聲技術測試圍巖松動圈可行，建議今后在隧道工程施工中，針對特殊地質圍巖可開展施工期掌子面圍巖聲波測試，以便更加準確快速地判定圍巖的穩定狀態和松動區范圍及其發展趨勢，為動態設計和信息化施工提供有力依據。