綜合勘探在大跨徑隧道穿越沖溝淺埋段的應用

陳博文　趙啟雄　戴軍

摘要：為解決大跨徑隧道沖溝淺埋段施工安全問題，文章以實際工程項目為背景，應用綜合勘探技術對隧道地質水文情況、掌子面圍巖情況及圍巖變形情況進行科學性分析，為隧道工程設計提供準確數據，并依此制定相應的專項施工方案，從而提高隧道施工的安全性。

關鍵詞：大跨隧道;沖溝淺埋段;地質勘查;超前地質預報;監控量測

中圖分類號：U452.1+1A260965

0 引言

百色市屬典型的三疊系地層，在修建隧道時，極易遇到沖溝淺埋段等不良地質體，其整體施工難度大，尤其對于大跨徑隧道在復雜淺埋地質情況下的施工技術要求較高[1]。采用隧道綜合勘探技術可以更好地了解工程地質特征、水文條件、圍巖等級及沉降數據等，并能夠獲取相關的圖像資料。目前，地質勘測技術主要應用工程物探方法，使用該方法可以準確繪制出地質斷面圖和工程物探曲線圖，從而對隧道結構周邊地質的土石分界和風化層厚度有更準確的把控。超前地質預報技術主要采用地質調查法和地質雷達法，可以對隧道圍巖情況進行具體描述、分級，從而確定隧道施工的具體支護參數。監控量測技術主要是應用數碼相機、收斂計、全站儀等測量工具對隧道施工過程中的圍巖和支護系統的穩定狀態進行監測，從而實現動態管理，確保隧道工程施工質量和進度。因此，采用綜合勘探技術可以從宏觀、較微觀及細觀角度加強隧道工程施工的安全穩定性。綜合勘探技術應用流程如圖1所示。

本文依托黎明二號隧道進口淺埋段實際工程，利用地質勘查技術對隧址區地形地貌、地層巖性及水文地質條件等進行勘察，通過超前地質預報對掌子面圍巖級別進行判定和不良地質體的探測，并結合動態監控量測技術對拱頂下沉、周邊收斂、地表下沉檢測數據進行回歸分析，綜合分析沖溝淺埋段圍巖變形位移規律，以便對沖溝淺埋段施工制定合理的支護參數和預防加固措施，對以后的隧道沖溝淺埋段施工具有一定的參考價值[2]。

1 工程概況

本隧道為雙向六車道大跨徑分離式隧道，設計時速為120 km/h，凈寬為18.25 m，凈高為10.27 m，隧道簡要信息如表1所示。沿線隧道淺埋段共有5處，沖溝信息如表2所示。由表2可知，沖溝3樁號與隧道左洞樁號相交，并且與隧道相交處溝底高程最小，具有一定的代表性。因此，本文選擇沖溝3對隧道左洞沖溝淺埋段施工進行分析。

2 沖溝淺埋段地質狀況

2.1 地質勘查

隧道工程地質勘查可以準確確定出圍巖級別、水文條件等，為后續的設計與施工提供有效資料[3-4]。本次勘探主要采用工程地質調繪與物探相結合的方式進行，對隧址區內地層巖性、地質構造、不良地質現象的分布、隧道地區覆蓋層及基巖風化層厚度、巖體破碎程度等進行分析。

2.1.1 地形地貌、地質水文概況

隧道區屬構造剝蝕丘陵地貌，地形較陡。地層主要由第四系殘坡積層（Qel+dl）和三迭系中統百逢組（T2b）組成，巖層產狀、節理和裂隙變化較大。隧道區下伏基巖主要為泥質粉砂巖、砂巖，局部夾泥質粉砂巖和頁巖，多以薄～中厚層狀構造為主，裂隙多以風化裂隙為主，發育密度大。地表水體主要為場地中沖溝內的小水溝，長年流水，但水量小。地下水主要為賦存于第四系覆蓋層中的孔隙水及基巖中的破碎帶及構造裂隙水。

2.1.2 工程物探方法

由于測區內淺部和較深部基巖的破碎程度、富水狀態與其周邊巖土體間等均存在明顯的電性（如介電常數、電阻率、電導率等電性參數）差異和彈性縱波波速差異，因此采用淺層地震折射波法和高密度電法進行勘查[5-6]。

淺層地震折射波法勘查采用岳陽奧成 HX-DZ-02A 型多道數字高分辨率地震儀，利用相遇追逐觀測系統，布置24道檢波器，檢波距為5 m、追蹤炮偏移10 m。高密度電法勘查采用重慶奔騰數控技術研究所生產的WDA-1多功能數字直流激電儀，電極極距為10.0 m，電極數為60/80個，觀測29/31層。然后結合地質測繪資料等進行綜合分析，繪制沖溝3剖面推斷地質斷面圖（如圖2所示）及工程物探曲線圖（如圖3所示）。

由圖2可知，沖溝3（ZK5+120～ZK5+360段）巖土為中風化泥質砂巖，巖土特征為灰黑色，泥狀結構，中厚層狀構造，巖質較硬，節理裂隙發育，巖體破碎，可能含水。由圖3分析可知，測區淺部地層視電阻率值多在800～20 070 Ω·m以內，呈明顯的較低阻狀，深部電阻率多在500～1 500 Ω·m以內，局部呈現低阻狀，主要為局部巖體裂隙發育，巖體破碎引起的低阻異常。在物探測線范圍內，隧道沖溝3位置對應里程在設計隧道埋深部位出現圈閉狀低阻異常，推測該處巖體破碎，對擬建隧道影響較大，建議設計隧道圍巖級別時適當降低該段的圍巖等級，在施工時做好防水、防崩塌措施。

2.2 超前地質預報

超前地質預報的應用可以進一步查明隧道掘進工作面前方的地質情況，為制定隧道施工方案提供一定的依據[7-8]。本次地質預報采用地質調查法和地質雷達法對隧道沖溝3段進行探測分析，其中地質雷達法采用 impulse Radar CO1760 全數字雙頻探地雷達。雷達測線布置如圖 4 所示。

2.2.1 地質調查法

地質調查法是以巖石、地層、構造及地貌等為對象，以地質學為指導，以觀察研究為基礎的調查工作。因此，通過對隧道當前沖溝淺埋段掌子面（ZK5+335）現場情況分析可知：掌子面圍巖自穩能力差，無支護易掉塊、塌方，巖體以中風化粉砂巖夾泥巖為主，總體破碎，結合差，節理裂隙發育，局部泥質等軟弱夾層發育，巖質較軟～較堅硬，結構類型為碎裂狀結構，掌子面整體濕潤，局部有滴水現象。

2.2.2 地質雷達法

采用地質雷達法可以直接觀測出巖體結構內部的穩定狀態、巖性及風化程度、完整程度、堅硬程度、地下水情況等。通過對原始采集的地質雷達數據進行靜態校正、增益調整、去直流漂移、濾波、壓制和剔除干擾波及突出有效波等處理后，處理結果如圖5所示。

通過當前掌子面的地質情況，結合對地質雷達波圖像的辨識及地質條件的綜合分析可知，隧道掌子面前方0～25 m（即ZK5+310～ZK5+335）范圍內雷達反射波以不均勻的中頻為主，局部同相軸相連續，無明顯規律，局部幅值較強。結合掌子面圍巖情況，推測該區域圍巖巖體節理裂隙發育，軟弱夾層發育，巖體總體破碎，結合差，圍巖自穩能力差，開挖后極易掉塊、坍塌。

因此，根據本次預報預測的圍巖情況，結合現場實際情況，建議探測里程段內施工圍巖等級如表3所示。

2.3 監控量測

監控量測能夠對隧道圍巖的變形情況、隧道支護的下沉情況以及支護結構的動態變化等進行測量，幫助工程技術人員及時發現和解決隧道變形問題，保障隧道工程的施工質量和使用安全[9-10]。根據該隧道工程的具體情況，對洞內沖溝淺埋段（ZK5+335）監控測定布設如圖6所示，隧道斷面拱頂下沉、周邊位移情況如表4所示。

由表4可知：通過黎明二號隧道進行為期30 d的監測，拱頂累計位移為9.1 mm，最大速率為0.2 mm/d;周邊累計位移為7.0 mm，最大速率為0.2 mm/d。位移-時間曲線如圖7所示。

根據圖7中拱頂累計沉降量曲線和上、下臺階累計周邊位移曲線可以看出，該沖溝段圍巖變形、拱頂沉降量、周邊收斂較大，隨著支護參數的加強，各參數均得到有效控制，但拱頂及周邊依舊存在繼續變形的趨勢，進而需要采取針對性措施對該沖溝段進行加固，從而提前預防因沉降量過大而發生安全事故。

3 施工方法

根據綜合勘探技術監測結果，針對該沖溝淺埋段應進行加固處治。加固處置方案圖及現場施工圖如圖8所示。處置方案為注漿加固、地表硬化、回填黏土與種植土三種方式，具體方案如下：

（1）加固注漿管布孔采用矩形布孔，注漿管采用 42 mm×4 mm開孔鋼管，鉆孔角度與水平面垂直。

（2）注漿管深度要求在隧道范圍內，深度達到外側，在隧道兩側應深入破裂面≥2 m。在施工過程中如遇注漿量突增情況，應加密加深注漿孔。

（3）注漿采用水泥液漿，水泥漿水灰比為1∶1，水泥標號為42.5。

（4）施工順序為清表并平整場地、成孔、分段注漿。

（5）注漿應自上而下分段進行，分段長度應控制在5 m以內。

（6）注漿完畢后在隧道埋深處5 m的地方回填水泥土。

（7）鋪設@20 cm×20 cm 8 mm鋼筋網并澆筑30 cm厚C25混凝土進行地表硬化，回填30 cm厚黏土和30 cm厚種植土，并植草綠化。

根據上述處置方案進行施工后，順利通過該沖溝淺埋段。

4 結語

本文通過綜合勘探技術對黎明二號隧道沖溝淺埋段地質情況、圍巖特性及圍巖變形位移監測數據進行分析可知：

（1）在隧道通過沖溝淺埋段時，由于自然環境的影響，埋深較淺，圍巖等級較低，風化程度較為嚴重。在施工過程中，圍巖自身易破碎，位移變化較大，掌子面出現坍塌風險較高。

（2）采用綜合勘探技術對施工前圍巖情況進行探查、監測，能夠對后續施工提供一定的依據，從而可以對原設計進行優化，達到指導施工的目的。

（3）在通過沖溝淺埋段時，需要根據具體的地質、圍巖、沉降情況，采取相應的加固措施，防止安全事故的發生。

參考文獻

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作者簡介：

陳博文（1985—），高級工程師，主要從事公路工程隧道施工技術管理工作;

趙啟雄（1995—），碩士，主要從事公路工程隧道施工技術管理工作;

戴 軍（1992—），工程師，主要從事公路工程隧道施工技術管理工作。