市政隧道施工超前地質測量及預報技術研究

王宇平

摘要 市政隧道既面臨常規(guī)隧道施工風險，又面臨市政環(huán)境帶來的特殊施工風險和要求，對地質測量和預報的要求更高。案例市政隧道工程采用CRD法進行施工，為了及時驗證或調節(jié)支護設計參數，保證施工調控決策正確和操作安全性，應用地質雷達測量技術和HSP反射波測量技術，從工前地質測量、施工中超前與即時監(jiān)測入手，加強超前地質通報、預報和警報，避免后知后覺帶來的風險和損失。梳理介紹其相關超前地質測量及預報技術，可為市政隧道超前地質測量、預報和安全施工提供技術借鑒。

關鍵詞 市政隧道施工；地質測量；超前預報；技術研究

中圖分類號 U452文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0066-03

0 引言

隧道建設施工需要了解地下巖土和水文等情況，需要獲取圍巖厚度、結構穩(wěn)定性等信息，借以指導施工過程，根據實際情況制定完善的施工計劃，選擇合適的作業(yè)方法，在保證隧道工程安全的同時提高施工效率。隧道施工需要密切關注和防范坍塌、滑動、崩落等工程風險，需要及時、有效地超前預報地質和圍巖狀態(tài)，以便及時發(fā)現和處理安全隱患，避免后知后覺，給工程和施工人員帶來巨大的風險和損失。

對于市政隧道建設工程而言，除了具有上述共性風險以外，還要面臨各種地下管網、地面基礎設施、耦合的地表承重狀態(tài)以及復雜的地下水狀態(tài)等復雜狀況，另外，融入型、環(huán)保型工程施工理念要求市政隧道施工不要危害在使用建筑的安全和在運行設施的安全運行狀態(tài)，要考慮噪聲、灰塵、振動等不良影響，考慮交通管制和繞行方案等，無不要求市政隧道建設過程中，必須充分強化施工地質超前預測和評估，確保不發(fā)生重大安全隱患，避免給城市生產生活秩序造成較大的影響[1]。

案例市政隧道工程位處于我國西南地區(qū)一處半封閉的山間盆地，區(qū)域巖溶發(fā)育，第四紀沉積薄而寬，泥巖和頁巖風化嚴重，工程面臨極其復雜的地質條件。該工程針對地質測量和預報的重點和難點，圍繞隧道圍巖形變、地面沉降和爆破振動的檢測工作，建立隧道工程檢測預警系統(tǒng)，有針對性地開展地質檢測、預報和警報工作，為工程施工決策提供了充分的測量依據，圓滿完成了隧道建設任務，很好地保證了隧道工程、地面建筑物和居民的安全。這里結合工程應用，梳理介紹相關超前地質測量及預報技術，以期為市政隧道施工的地質測量與預報應用提供參考。

1 工程概況

案例是一座位于西南地區(qū)某市百花山地區(qū)小凈距市政工程隧道，雙向6車道，高8.01 m，長2×560 m，跨度35.00 m。K0+530區(qū)域有一條南北向F1斷層，其東側K0+530至隧道出口，分布夾雜著煤線層的二疊系龍?zhí)督M碳酸巖，地層傾角平緩，產狀約129°∠14°；西側K0+400～K0+530區(qū)間分布著三疊系大冶組碳酸鹽巖，偶見厚度較小的碎屑巖，產狀約245°∠30°。工程地質問題主要有地下水發(fā)育、巖溶發(fā)育、地表風化嚴重、埋深比較淺、瀕臨城市建筑、區(qū)域地下管線較多，地表易發(fā)生坍塌或不均勻沉降。

其中隧道洞口存在危巖體、破碎帶、巖溶、煤層，并且埋深淺；K0+420～500區(qū)間強風化、偏壓；K0+530～580區(qū)間，穿越一座變電站，周邊地下管線密集；K0+590～700區(qū)間明挖可能引發(fā)相鄰建筑物發(fā)生不均勻沉降；K0+700～915區(qū)間經過金石小區(qū)，區(qū)域有5棟居民樓，1個游泳池，1處停車場和1座電塔。隧道開挖一旦引發(fā)不均勻沉降，嚴重威脅這些地面設施的安全。

該隧道工程采用CRD施工法，該方法也稱交叉中隔墻施工法，對控制地面沉降功效較好，常用于軟弱地層條件的隧道施工和城市地鐵隧道的施工過程。山嶺隧道由于造價高，較少使用該方法，但在特殊狀態(tài)下如膨脹土地層也可以采用。該方法規(guī)定大截面隧道分成4個相對獨立的小隧道，采用預留核心土的方式進行施工。CRD施工方法遵循“短臺階、小分部、短循環(huán)、快封閉、強支護、勤量測”的作業(yè)原則，采用分塊成環(huán)的方式，自上而下進行，隨挖隨撐，以保障初期支護工作及時有效。在初期支護結構加持的拱頂收斂和沉降達到基本穩(wěn)定后，施工人員便可自上而下拆卸臨時仰拱及臨時中隔壁墻，繼續(xù)開展下一階段的施工工作。

2 超前地質預報的實施

CRD工法適用于開挖跨度比較大，對圍巖沉降形變的控制要求嚴格的場合。采用CRD工法開挖時，施工人員將每一步開挖的局部封閉成環(huán)形結構，不僅兼具了雙側壁導坑法和臺階法的優(yōu)勢，而且更有利于圍巖穩(wěn)定，從而保障了施工安全。采用CRD法進行施工，為了保證施工的安全性，保證施工調控決策正確，及時驗證或調節(jié)支護設計參數，非常有必要開展有針對性的圍堰地質檢測和超前分析預報工作。案例隧道施工地質預報主要是針對破碎帶和巖溶帶的預報，重點和難點是巖溶地質預報。按照占用時間少、方法簡單、預報準確的要求，案例隧道的地質預報采取地質雷達測量方法和HSP聲反射測量法。

2.1 地質雷達測量

進口段K0+590～700區(qū)域的隧道埋深比較淺，測量采用Zond-12eGPR型地質雷達，75 MHz天線。沿硬化路面鋪設測線。

測量結果顯示，案例隧道入口K0+590～700區(qū)段的埋深極淺，適合采取明挖法進行施工。區(qū)段地下水發(fā)育、風化嚴重、巖體破碎、地質條件差，開挖施工前應注意：詳細查明地下管線的位置與深度，并有必要制定好應急處置方案；在隧道初始支管后面攔排地下水；采取強支護、弱爆破、短進尺等措施，仰拱施工要及時并且要成環(huán)封閉充分；強化隧道內的臨時橫撐，避免局部開挖和地表沉陷引起過大的側向形變。

2.2 HSP反射波測量

掌子面前33 m范圍采用智能ZGS1610-3探測儀及其配套系統(tǒng)開展HSP反射波測量?，F場配置6個測區(qū)，巖體的平均聲速測試結果為2 178 m·s?1。其中掌子面ZK0+421檢測結果見表1所示。

2.3 超前綜合地質分析

案例隧道圍巖級別與檢測結果見表2所示。參照檢測結果，施工單位提前在開挖操作過程中采取了防護措施，有效克服了溶洞、涌水、涌泥等影響，確保了施工安全順利進行[2]。

3 案例隧道施工監(jiān)測要點

3.1 監(jiān)測項目

施工監(jiān)測的目的在于提供準確、及時的地質和工程參數信息，為規(guī)范施工決策、驗證和調節(jié)支護參數提供數據依據，以保證隧道施工安全。參考隧道施工安全控制要求和案例隧道的施工監(jiān)測實施大綱的具體要求，該工程的監(jiān)測項目主要包括：掌子面巖體地質素描、隧道拱頂下沉，隧道凈空收斂、爆破震動影響測量以及地面沉降狀態(tài)測量等5個方面。

3.2 測點配置

拱頂下沉和凈空收斂的截面間距，應根據設計規(guī)定的圍巖等級確定，分別為Ⅲ級（20～30 m）、Ⅳ級（15～

20 m）、Ⅴ級（10～15 m）和Ⅵ級（5～10 m），對斷層破碎嚴重的區(qū)域，給予適當加密。圍巖穩(wěn)定性測點配置見圖3所示。上、下半段各配設一條水平基線供凈空收斂測量參照，高度分別位處邊墻和拱腰1.50～2.00 m區(qū)域；拱頂下沉測量，按3個測點配置。

3.3 監(jiān)測等級與對策

掌子面地質素描3個施工周期或每8 m進尺繪制1次。當巖性變化顯著出水量增加時，要加強觀測。參考測量截面與開挖面的距離或開挖推進速率確定拱頂下沉和凈空收斂的監(jiān)測頻率，詳見表3所示。為確保隧道施工安全，需要正確利用檢測數據指導和控制施工決策，為此該隧道工程制定了檢測管理值，詳見表4所示。該值經業(yè)主、設計、監(jiān)理、施工、檢測單位等多方討論通過，并根據現場測量進行調節(jié)和完善?？傮w包括下述3個標準：即圍巖形變最大移位的判斷標準、圍巖形變速率的判斷標準、根據形變曲線判別圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)的標準[3]。

預警分2個階段，當檢測值超過預警值的70%時，應在日報表中注明，以引發(fā)有關各方的注意；當檢測值觸及預警值時，除了日報表中注明以外，還須向業(yè)主、監(jiān)理、施工單位進行專門通知。

3.4 圍巖穩(wěn)定性和地面沉降檢測

案例工程施工過程中連續(xù)開展現場監(jiān)測，圍繞108對凈空收斂測量點，63個地面沉降監(jiān)測量點和114個拱頂沉降測量點，拿到掌子面地質素描55幅，提交圍巖穩(wěn)定性預報22份，預警120份。

現場采集數據，采取離散性與偶然誤差分析，促進測量數據相互驗證，以保證測量結果的可靠性。在此基礎上，探索圍巖應力應變狀態(tài)，判斷圍巖的穩(wěn)定性，預測變化率或最終值，為合理選擇支護體系提供參考。隧道開挖過程中，地層中構成新的自由面，初始地應力情況下的平衡因此被打破，圍巖應力應變因此形成新的分布狀態(tài)，尤其是在挖掘階段，隧道拱頂下沉的速率大，形變明顯。

參考形變狀態(tài)的發(fā)展，施工單位采取強化橫向支承、增加錨件、調整小導管數量和長度、對圍巖進行注漿加固、適當降低藥量、縮短進尺、強化超前支護力度等措施，應對開挖對巖體穩(wěn)定性的影響，最終成功開挖通過了該地質段。

3.5 爆破振動監(jiān)測

采用爆破振動測量儀對臨近的金獅游泳館、五桂變電站、萬東花園等建筑，進行爆破振動檢測，共進行了91次檢測，振動速度最大值多在0.20～1.50 cm·s?1，但存在6次突破規(guī)定值2.5 cm·s?1的情況，數值分別是2.78 cm·s?1、2.78 cm·s?1、2.71 cm·s?1、2.98 cm·s?1、3.29 cm·s?1和2.59 cm·s?1，因此建議適當減少爆破藥量，以防止對臨近建筑的破壞。

3.6 綜合分析監(jiān)測成果

因為地質和臨近建筑的基礎條件影響，2011年5月30日右洞YK0+876.5～YK0+890段發(fā)生地面塌陷，在地面構成南北長13.60 m，東西長13.60 m，深度約10 m的漏斗塌陷，塌陷量約在1 200 m3。2011年5月27日后的3 d內，YK0+860～YK0+880附近溶洞拱頂及相應地面下沉速率發(fā)生突變，超過設計允許值7 mm·d?1。綜合地質條件其原因分析如下：

（1）掌子面（YK0+880）巖性主要為中－強風化泥巖，圍巖等級為Ⅴ級，巖體破碎程度較高，地下水發(fā)育，遇水極易軟化。

（2）從拱頂至地面，該段隧道埋深25.50 m，有效巖層厚度低于10 m，松散蓋覆層厚度大于15 m，主要為第四系松散堆積物和強－全風化泥巖，巖體破碎程度高，穩(wěn)定性差。

（3）地下水較發(fā)育，拱頂的強－全風化圍巖和松散堆積物含水，導致隧道內中－強風化泥巖遇水易軟化，造成拱頂坍塌。

在上述分析的基礎上，提出施工應對建議和措施，為后續(xù)的安全施工和隧道順利貫通提供決策和技術支持。建議包括：強化洞內和地面的監(jiān)測工作，加密測量頻次，及時反饋監(jiān)測信息；強化堵水和超前注漿加固措施，如鋼拱架掛網和噴射混凝土；嚴格遵循CRD法開挖施工規(guī)范，加大初期支護和臨時支護力度；及時制作仰拱和標準閉合成環(huán)；緊隨其后開展二襯施工。

4 結語

綜上所述，對案例隧道工程超前地質測量及預報技術進行了梳理研究：介紹了案例隧道工程所采用的CRD施工方法與地質雷達測量技術和HSP反射波測量技術。運用超前地質測量與預報技術，對案例工程從施工前地質條件全面測量和施工中地質、圍巖、結構狀態(tài)的即時跟蹤檢測兩個方面，加強超前和即時的地質、圍巖、結構狀態(tài)檢測，并以通報、預報、警報的方式，使檢測成果在施工中發(fā)揮影響或控制作用。案例市政隧道的施工超前地質預報，緊緊抓住圍巖形變、地面沉降、爆破振動影響展開，建立隧道工程檢測預警系統(tǒng)，有針對性地開展地質檢測、預報和警報工作，為工程施工決策提供了充分測量依據。針對案例隧道洞口淺埋和不對稱，地質巖體主要由中－強風化泥巖和灰?guī)r組成，巖體破碎，地下水發(fā)育，且狀態(tài)復雜，地面建筑物密集、地下管線交錯等問題，通過有效的施工地質巖體檢測數據、分析和預警，為上述復雜環(huán)境施工提供了堅實有力的技術支撐，是工程得以順利完工的重要保證。該地質超前預報和監(jiān)測技術對同類隧道工程的地質測量、跟蹤技術檢測具有參考意義。

參考文獻

[1]何發(fā)亮， 李蒼松， 陳成宗. 隧道地質超前預報[M]. 成都：西南交通大學出版社， 2006.

[2]陳成宗， 何發(fā)亮. 隧道工程地質與聲波探測技術[M]. 成都：西南交通大學出版社， 2005.

[3]李蒼松， 何發(fā)亮， 丁建芳. 武隆隧道巖溶地質超前預報綜合技術[J]. 水文地質工程地質， 2005（2）： 96-100.