軟巖隧道圍巖松動圈內窺鏡檢測技術研究

張倪、李占峰

（四川綿九高速公路有限責任公司，四川綿陽 621000）

0 引言

當圍巖所受應力小于下降后的自身強度極限時，圍巖將處于彈塑性狀態[1]。而當圍巖所受應力大于下降后的自身強度極限時，圍巖將發生破壞，并不斷從隧道周邊向圍巖深部擴展，直到達到新的應力平衡狀態。這個過程中形成的破裂區域稱為圍巖松動圈[2]。因此，確定軟巖隧道圍巖松動圈的范圍是分析隧道穩定性的一個關鍵因素。影響松動圈范圍的因素有很多，如爆破開挖的藥量、開挖的方法、巖體強度、斷跨度、地應力等。精確探測圍巖松動圈范圍可以準確掌握軟巖隧道開挖對圍巖的影響范圍及程度，進而對隧道襯砌系統支護參數進行合理修正，并為軟巖隧道的開挖和支護提供技術支持與指導。因此，加強對軟巖隧道圍巖松動圈范圍檢測技術的研究有重要意義。

1 測試原理

常用的松動圈測試方法有聲波法、多點位移計法、地震波法、地質雷達法等[3]。然而，上述方法都存在適應性差、準確性低、實操性弱等缺點，測試時需要采用特種儀器，且對操作人員的技能要求高等特點。經工程實踐驗證，鉆孔內窺和孔內成像技術，可以更簡單、直接地確定圍巖松動圈的范圍。鉆孔內窺是一種多學科通用工具，其功能是可對狹窄結構內部進行可視化探測。通過內窺的方法，可以實現對狹小內部空間和特殊環境下，人視力無法直接觀測到的區域進行質量檢查。其工作原理是利用轉像透鏡光學技術傳送照片，為了傳送清晰的照片，內窺鏡鏡頭加設冷光源及圖像放大裝置（見圖1）。

圖1 攝像頭工作原理

圍巖松動圈的確定可為錨桿長度確定提供依據。九綿高速公路項目用微型攝像或錄像在8m 深的炮眼中實測松動圈的范圍，測法直接，判斷可視、主觀，且方法經濟、可行，是九綿高速自主、實用的新技術之一。

根據《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》（JTG/T 3374—2020）6.4.6，瓦斯地層每循環開挖應加深炮眼孔探測瓦斯，加深長度不小于2m[4]。內窺鏡瓦斯超前探孔與此項條文異曲同工，且不僅適用于瓦斯地層，在富水、巖溶、突泥等復雜地段同樣適用。

2 案例概述

九綿高速公路運用鉆孔內窺和孔內成像的新興技術，探測圍巖松動圈的范圍。白馬隧道是九綿高速公路控制性工程，全長13km，巖性多為薄層狀結構，層間結合較差，炭質板巖層間多附光滑鏡面，受構造力的強烈作用，埋深大，地應力量級較高，開挖后變形較大，同時炭質板巖具有遇水軟化等特性。該座軟巖隧道很具有代表性，具有高海拔、高地應力、低瓦斯等特點。選取左線K40+600 左側邊墻，采用錨桿鉆機鉆設8m 深探孔，運用內窺鏡拍照（見圖2）。

圖2 K40+600 左邊墻內窺鏡成像

按照每0.5m 拍攝1次，通過照片對比分析，發現在4m 之后孔壁圓順，無明顯變形，推測圍巖松動圈為開挖輪廓線外4m。現場采用支護參數為Db，系統錨桿采用長短結合的方式：短錨桿為φ42 注漿小導管，長度3.5m/根，注漿加固松動圈；長錨桿為φ32 自進式錨桿，長度6m/根，錨入持力層。根據成像探測松動圈范圍，采取的長短錨桿錨固措施滿足變形控制的要求。后續監控量測控變形穩定后，累計收斂變形365mm，累計拱頂下沉149mm，滿足設計預留變形量400mm 的變形要求。

根據變形回歸曲線分析，符合軟巖隧道變形特征，前期隧道變形加劇。隨著時間推移，逐漸趨于平穩，但隨著應力釋放，以及在裂隙水的作用下，累計變形逐漸增大。最終測定，穩定在365mm 左右，滿足預留變形量預設計要求。

3 運用MATLAB 軟件進行驗證

參照國內外研究狀況，選用MATLAB 軟件進行圖像處理，與內窺鏡反映結果進行雙向結果驗證。

通過圖像處理最終以裂隙率指標進行評判（見圖3、圖4）[5]。

圖3 不同深度裂隙率趨勢圖

圖4 不同深度圖像處理

通過數據分析，在0.5～3.0m 區間內，裂隙發育，裂隙面積占比較高，在3m 之后數據有較大波動，裂隙率下降較快，在4～8m 之間裂隙面積占比基本無大的變化，與現場影像反饋一致，也很好地驗證了應用結果。初步判定，該試驗段圍巖松動圈大致范圍為3～4m，所以處置范圍大于4m 才能有效抑制隧道變形，與現場實際相符。

4 加深炮孔超前地質預報案例

在白馬隧道右線YK41+290 掌子面，采用多功能鉆機鉆設8m 深超前探孔，運用內窺鏡拍照（見圖5）。

圖5 K41+290 掌子面內窺鏡成像

通過內窺鏡成像照片，在室內分析YK41+290—YK41+298 段圍巖情況：0～2m 為炭質板巖，內壁粗糙，裂隙發育，巖體間有軟弱夾層；2～5.5m 為炭質板巖局部夾千枚巖，總體內壁光滑，局部有軟弱夾層，巖體較破碎；5.5～8m 為炭質板巖夾千枚巖，內壁粗糙，裂隙極發育，孔底1m 范圍有鏡面狀結合面，巖體極破碎。整個鉆孔段落內，無明顯地下水。

HSP-BMSD-PXYD-032 超前地質預報（見圖6）的物探成果能量反射較強，反射雜亂，強能量反射團塊雜亂分布，結合掌子面地質情況推測，該段圍巖主要為炭質板巖夾變質砂巖，局部有千枚巖夾層，受構造影響圍巖節理裂隙發育，巖體破碎，局部呈破碎散體狀，無支護時側壁、拱頂易掉塊坍塌，該段地下水弱發育。

圖6 掌子面HSP 超前地質預報測試成果切片圖

超前鉆孔拍攝結果分析與HSP 超前地質預報結果基本一致，且更加精細、準確、直觀。兩種方式對比：采用HSP 超前地質預報，專業人員、設備投入比較大，與施工現場交叉施工，功效較低；采用內窺鏡，無須專門的人員、設備，且能夠與打鉆開挖工序同時進行，快速高效，圖形直觀可見，成本基本為零。

5 結論

其一，九綿高速公路項目采用8m 深的炮眼，用微型攝像或錄像實測松動圈的范圍，通過內窺鏡傳送清晰圖像判定松動圈的大致范圍。圍巖松動圈的確定可為確定錨桿長度提供依據，測法直接，判斷可視、主觀，且方法經濟、可行，是九綿高速公路自主、實用的新技術之一。

其二，為了驗證判斷結果的準確性，運用MATLAB 軟件進行雙向驗證。通過灰度測試，用孔隙率指標判斷照片反映的信息，判定結果與照片反映情況一致，說明該方法操作上可行，結果判定上可靠。

其三，采用超前水平鉆孔方式，進行隧道施工期掌子面前方地質超前預報，是隧道施工期地質超前預報方法中最直接的方法。可通過鉆孔鉆進速度，測試獲取隧道掌子面前方巖石（體）的強度指標、可鉆性指標、地層巖性資料、巖體完整程度指標及地下水狀況等諸多方面的直接資料。采用此方法，不僅可以確定隧道掌子面前方地質情況，而且可以起到探水的作用。超前水平鉆孔是隧道地質勘探最直接的方法，但由于其成本高目前無法普遍采用。九綿高速公路項目采用加深炮眼（2～5m），并配以微型攝像儀進行孔內影像的采集，由專業地質工程師進行室內分析和判斷，對前方小凈距的圍巖情況、水文條件、有毒有害氣體和不良地質情況進行綜合探測，取得了良好效果。