呂培華

公路隧道監(jiān)控測量研究——以鳳山二號隧道為例

呂培華

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

監(jiān)測和測量是新奧地利隧道法的三個主要因素之一。通過對隧道巖體變形數(shù)據(jù)進行測量、采集和分析，測量數(shù)據(jù)可用于開挖結(jié)果的反饋，及時指導施工。隧道監(jiān)測包括監(jiān)測方法、監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)處理分析，并通過數(shù)據(jù)分析反饋來指導施工。以位于廣西的鳳山二號隧道現(xiàn)場監(jiān)測為例，采用能量釋放減壓、及時封堵、開挖前帷幕灌漿、徑向灌漿等措施控制高壓地下水。采取提高支護剛度、雙層一次支護、預支護、增加預變形、注漿加固、及時安裝永久襯砌等措施，確保隧道的安全施工。研究為今后類似工程項目的設(shè)計、施工和監(jiān)測提供有益的參考和指導。

公路隧道；監(jiān)控量測；安全施工

引言

在眾多隧道施工方法中，新奧地利隧道法（NATM）是公路隧道施工中最常用的方法，已被證明是一種非常經(jīng)濟和靈活的施工方式。NATM是一種采用鉆爆法在巖石中開挖隧道的技術(shù)，采用噴射混凝土襯砌和巖石錨桿作為主要支撐系統(tǒng)。最重要的是，基于“竣工或開挖中分類系統(tǒng)”的概念，NATM要求對開挖面的地質(zhì)條件和襯砌等地下支撐結(jié)構(gòu)的性能進行動態(tài)觀測。最常見的巖體分類系統(tǒng)RMR和Q系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)換這些觀察到的數(shù)據(jù)，以提供對隧道掘進過程中所需開挖方法和支撐系統(tǒng)組件的估計?？梢姡F(xiàn)場監(jiān)測是NATM掘進的核心，在判斷圍巖穩(wěn)定性、評價支護結(jié)構(gòu)的合理性和安全性方面具有不可替代的作用。

深埋隧道的深度、距離和穿越各種地質(zhì)單元的通道都帶來了一系列特殊的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括高地應力引起的硬巖巖爆和軟巖大變形，以及隧道通過巖溶地形或斷層帶時的高壓泥石流和地下水涌出。大變形、結(jié)構(gòu)坍塌、高級地質(zhì)勘探、結(jié)構(gòu)安全支持和快速施工技術(shù)也是需要解決的問題。深埋長隧道地質(zhì)災害防治是地下工程研究的熱點之一。

到目前為止，還沒有針對深埋長隧道的施工提出標準和有效的設(shè)計方法。之前的大多數(shù)解決方案都是基于施工過程中的經(jīng)驗和動態(tài)調(diào)整。本文介紹了廣西鳳山二號隧道的案例研究。從設(shè)計、施工和控制措施等方面總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)驗。高壓地下水的密封技術(shù)和高地應力下大變形的處理技術(shù)尤其令人感興趣。這一深埋長隧道開挖的成功案例對今后類似隧道的設(shè)計和施工具有一定的參考價值。

1 工程概況

鳳山二號隧道設(shè)計為單洞雙向行車的兩車道二級公路隧道，隧道起終點樁號為K1+432～K2+614，隧道長1182 m，洞身圍巖級別主要為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級，Ⅴ、Ⅳ級屬于強、中風化石灰?guī)r、白云巖，Ⅲ級屬于微風化石灰?guī)r、白云巖，其中Ⅴ級共208 m為強風化石灰?guī)r、白云巖，占圍巖比例為14.7%，Ⅳ級共192 m為中風化石灰?guī)r、白云巖，占圍巖比例為17%，Ⅲ級共758米為微風化石灰?guī)r、白云巖，占圍巖比例較大，為68.3%。

根據(jù)著名的巖體RMR分類體系，結(jié)合地質(zhì)勘查資料分析，該區(qū)圍巖可分為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類三類。這三類巖體的物理力學參數(shù)如表1所示。Ⅴ類圍巖的襯砌類型如圖1所示。

表1 三種不同類型巖體（分別為III類、IV類和 V類）的物理和力學參數(shù)

圖1 隧道洞身橫斷面圖（普通段）

1.1 水文氣象條件

隧道位于廣西西北部，路線位于鳳山縣、東蘭縣，區(qū)內(nèi)降水分部不均，年際內(nèi)變幅較大，降水隨季節(jié)變化明顯，夏秋多，春冬少，年平均降水量1470 mm，最大降水溫2049 mm（1968年），最小降雨量1101.7 mm（1963年），變幅達955.4 mm。

1.2 地層巖性

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、地質(zhì)調(diào)繪成果、工程鈷探掲露及物探測試，隧址區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)覆蓋層，上古生界二疊系下統(tǒng)棲霞組（Plq）石灰?guī)r。

全新統(tǒng)崩坡積堆積（Q4c+d1）碎塊石：淺灰色，散狀體，孔口周圍零散分布，直徑為0.5 m～1.0 m，成分為石灰?guī)r、白云巖，粒徑不等。分布于隧道進、出口邊坡處及洞頂溶蝕注地坡腳處。

斷層F7距隧道口約100 m，為石灰系中上統(tǒng)（C2+3）石灰?guī)r、白云巖育二疊系下統(tǒng)棲霞組（PLq）石灰?guī)r的分界線，該斷層為壓扭性斷層。斷層兩側(cè)溶洞發(fā)育，但距隧道較遠，對隧道穩(wěn)定性影響不大。隧道進出口露頭測量統(tǒng)計，隧道圍巖產(chǎn)狀120°∠15°。

1.3 水文地質(zhì)

隧址區(qū)位于巖溶強烈發(fā)育地段，雨季水量很大，旱季水量較小，在巖溶谷地邊緣以地下暗河的形式流出形成地表徑流，排入溝谷。經(jīng)水質(zhì)分析，水質(zhì)類型HCO3--Ca2+Mg2+型水，地下水一般為低礦化度淡水，對砼具微腐蝕性。

隧址區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬于廣西山字型構(gòu)造前弧西翼中段，一北西向構(gòu)造為主，經(jīng)歷了華西力、印支、燕山及喜山四個大的構(gòu)造運動期。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)繪及鈷探揭示，隧址區(qū)未發(fā)現(xiàn)全新世深大斷裂構(gòu)造活動跡象，隧址區(qū)穩(wěn)定性較好。

2 施工關(guān)鍵問題

2.1 綜合地質(zhì)探測方面的問題

對于深長隧道而言，地質(zhì)和水文地質(zhì)條件極其復雜多變。在勘測和設(shè)計階段，全面了解區(qū)域地質(zhì)條件以及巖體的狀態(tài)和特征，尤其是不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的確切位置和大小，將是困難和不現(xiàn)實的[1]。泰寧隧道穿越多個富地下水擠壓斷層帶，地應力較高。因此，可能發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌、地下水流入、大變形和巖爆災害，施工風險極高。為了避免可能發(fā)生的災難，必須提前采取適當?shù)拇胧?。因此，隧道開挖前的綜合地質(zhì)檢測是隧道設(shè)計和施工的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一[2]。

深埋長隧道開挖過程中的地質(zhì)預報對確保施工安全至關(guān)重要。這一問題已引起工程界的關(guān)注，但尚未得到很好的解決。由于地球物理方法的模糊性和不確定性，地質(zhì)預報是一種基于地質(zhì)分析和地球物理探測手段的綜合方法[3]。如有必要，應輔以水平預鉆孔和更深的爆破孔。

2.2 高壓大流量地下水引發(fā)的問題

Ⅴ級圍巖段、強節(jié)理帶和斷層帶的高壓大流量地下水對圍巖穩(wěn)定性影響顯著。因此，正確預測、有效封閉和快速處理地下水是該項目面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

深長隧道開挖過程中，為封堵高壓高流量地下水，應遵循及時封堵、控制排水的原則。及時封堵、灌漿工藝、灌漿材料、灌漿方法、灌漿壓力和地下水排水量是地下水封堵的關(guān)鍵，施工前應通過數(shù)值計算和試驗確定。

2.3 高地應力引起的問題

高地應力引起的巖爆和軟巖大變形是世界范圍內(nèi)地下工程和巖石力學中經(jīng)常遇到的問題。擠壓斷裂帶中的巖體松散、破碎，且風化強烈[4]。巖石強度與地應力之比小于0.2。2001年，Hoek估計了在擠壓巖石中掘進的難度，發(fā)現(xiàn)當巖體強度與地應力之比低于0.2時，會發(fā)生嚴重擠壓和大變形。

當深埋隧道穿越擠壓斷裂帶或發(fā)生大變形時，特別是在應力很高、強應力比極低的情況下，圍巖表現(xiàn)出明顯的流變特性。僅僅通過提高主支架的剛度是無法防止不斷增加的變形的。雙層初期支護可以有效地控制隧道變形。然而，僅僅防止隧道進一步變形和穩(wěn)定圍巖是不夠的。在高地應力條件下軟巖隧道開挖中，及時設(shè)置永久襯砌是有效抑制隧道變形、穩(wěn)定圍巖的經(jīng)濟措施。

因此，在鳳山二號隧道的設(shè)計和施工中，軟弱巖帶和高地應力擠壓斷裂帶的安全施工技術(shù)至關(guān)重要。

3 應對措施

3.1 做好開挖前的綜合地質(zhì)預報

鑒于鳳山二號隧道地質(zhì)環(huán)境復雜，災害頻繁，開挖前地質(zhì)預報尤為重要。鳳山二號隧道的地質(zhì)預測基于長距離隧道地震預測（TSP）和短距離探地雷達（GPR）探測以及水平預鉆孔。

工程地質(zhì)分析基于地形、區(qū)域構(gòu)造、補充地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)有勘察設(shè)計數(shù)據(jù)。通過對地層層序、地層邊界、構(gòu)造邊界、斷層要素和隧道幾何參數(shù)的對比分析，利用常規(guī)地質(zhì)理論、地質(zhì)填圖和趨勢分析，可以揭示隧道沿線可能的地質(zhì)條件[5]。在隧道開挖過程中，利用TSP可以實現(xiàn)整個隧道的長距離預開挖地質(zhì)預報。在宏觀層面上可以揭示開挖面前方大致的遠距離地質(zhì)條件。結(jié)合工程地質(zhì)分析，可識別可疑不良地質(zhì)段。對于TSP探測到的潛在不良地質(zhì)剖面，使用探地雷達進行短距離探測[6]。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查和地球物理解釋，可以估計不良地質(zhì)構(gòu)造的性質(zhì)、空間分布和位置。對于潛在的含水結(jié)構(gòu)，進行了紅外探測，以驗證水量。對于短距離預測發(fā)現(xiàn)的潛在地質(zhì)災害的關(guān)鍵路段，鉆水平預鉆孔和更深的爆破孔，以準確估計不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)、大小和位置。對于斷裂帶、節(jié)理密集帶、富水帶和高地應力區(qū)內(nèi)可能發(fā)生的構(gòu)造坍塌、突然進水或泥漿流入、巖爆、大變形，將發(fā)出預警并采取相應措施。

綜合地質(zhì)預報可準確探測斷層帶、強節(jié)理帶、富水帶等不良地質(zhì)構(gòu)造。該預測可以成功預測大多數(shù)斷層的空間分布，并評估挖掘風險。

3.2 進行高壓大流量地下水的封堵

鳳山二號隧道的地下水處理遵循“預測、控制排水、及時封閉”的原則。通過對地下水涌水量的計算分析，采用能量釋放、應力降低、及時封堵、開挖前帷幕灌漿和徑向灌漿技術(shù)，成功封堵了高壓斷裂帶高流量地下水[7]。

水壓和流量的預測是地下水處理的基礎(chǔ)。根據(jù)地質(zhì)預測結(jié)果，在富水地段鉆取了水平預鉆孔。準確識別了隧道前方的水文地質(zhì)條件和地下水壓力。利用鏡像法和疊加原理，將有限域上的地下水問題轉(zhuǎn)化為無限域上的地下水問題。使用卷積-反卷積方法，將時變流入問題轉(zhuǎn)化為恒定流問題[8]。

密封技術(shù)的選擇基于地質(zhì)預測、數(shù)值計算和預鉆井揭示的地下水壓力和流量。當水量最小時，應首先通過開挖暴露地下水。然后，進行徑向灌漿以密封水。在高壓大流量地段，應首先進行地下水排水，以降低地下水壓力和流量。當?shù)叵滤畨毫土髁孔兊孟鄬Ψ€(wěn)定時，進行預灌漿。

高壓高流量地下水隧道段采用全斷面帷幕預注漿。關(guān)鍵考慮因素是灌漿范圍的確定、灌漿材料的選擇和灌漿壓力的控制。灌漿段的長度一般為20 m～25 m，遵循“小長度、快速循環(huán)”的原則。灌漿后應形成有效的加固環(huán)，以降低圍巖的滲透性和地下水流入量，增強圍巖的穩(wěn)定性。因此，灌漿范圍應由兩個因素決定，即地下水流入量和圍巖穩(wěn)定性。

如果開挖前帷幕灌漿無法封閉地下水，應迅速進行部分灌漿，然后進行高壓固結(jié)灌漿。

3.3 高地應力的處治措施

3.3.1 大變形的處治措施

根據(jù)數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗確定的圍巖地應力條件，采取了技術(shù)措施。這些技術(shù)包括提高支架剛度、安裝雙層主支架、加強預支撐、增加預設(shè)變形、灌漿加固和及時安裝永久襯砌。通過這些措施，有效地控制了高地應力軟弱巖體的大變形，實現(xiàn)了擠壓斷裂帶的安全施工[4]。

為確保換拱過程中的安全施工，設(shè)置了保護拱。在更換拱之前，進一步支撐變形較大的圍巖。保護拱由間距為0.5 m的I18鋼拱、Φ25縱縫鋼筋和24 cm厚的噴射混凝土組成。在更換拱門之前，安裝了先進的小管道來支撐保留的圍巖。

然后安裝了一個雙層主支架。主支架的第一層，以前是I20b鋼拱，調(diào)整為間距為0.5 m的I22b拱。噴射混凝土被鋼纖維混凝土取代，其厚度從28 cm改為30 cm。25 cm厚的鋼纖維混凝土，間距為0.5 m，用作主支架的第二層。增加了用于徑向灌漿的小管道。小型管道的直徑為50 mm，厚度為5 mm，長度為5 m，環(huán)形間距為1.0 m，縱向間距為1.0 m。當換拱累計長度達到6 m時，及時安裝永久襯砌，襯砌厚度從45 cm調(diào)整為75 cm，采用C35防水混凝土。

3.3.2 擠壓斷裂帶施工技術(shù)

成功的施工技術(shù)可總結(jié)為：地下水封閉、預支護、分步開挖、超前先導隧道、短臺階、強支護、快速關(guān)閉、及時安裝永久襯砌。

預支撐包括管棚或雙層先進小管道。采用直徑為Φ50 mm、厚度為5 mm的5 m長鋼管作為先進的小管，周向間距為30 cm，縱向間距為3.0 m。管道的傾角分別為15°和40°。先進的小管道中的水泥漿是水泥和水玻璃的混合物。灌漿持續(xù)15分鐘，最終應力為2.5 MPa。

為了控制高地應力的影響，采用了分步開挖法，即中心隔板（CD）法。斷層帶隧道段分三個臺階開挖，即頂部導坑、中間臺階和下部臺階。左導洞總是比右導洞超前15 m以上，以便通過前導洞的變形釋放圍巖中的應力。每個臺階的單周期開挖長度為0.7 m，隧道仰拱與頂部導坑開挖面之間的距離不超過25 m。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了具有代表性的公路隧道——鳳山二號隧道施工過程中現(xiàn)場監(jiān)測的案例研究。突出的特點包括地質(zhì)預報、高壓地下水封閉和大變形控制措施。本案例的研究經(jīng)驗可供今后類似項目參考，總結(jié)如下。

（1）在建造一條深長的山嶺隧道之前，全面了解不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)的確切位置和大小是困難的，也是不現(xiàn)實的。開挖前必須對不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行有效檢測。在富水斷裂帶中經(jīng)常遇到高壓地下水。采用能量釋放、減壓、及時封堵、開挖前帷幕灌漿、徑向灌漿等技術(shù)，成功封堵高壓大流量地下水。

（2）地下水壓力和入滲量的預測是地下水處理的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)綜合地質(zhì)預報提供的參數(shù)，可以有效地預測斷層帶的流入。針對高地應力采取的對策是基于對圍巖的數(shù)值計算和現(xiàn)場試驗。這些技術(shù)包括提高支護剛度、雙層一次支護、加強預支護、增加預變形、注漿加固和及時安裝永久襯砌。這些措施有效地控制了高地應力條件下軟弱巖體的大變形，實現(xiàn)了擠壓斷裂帶的安全施工。

（3）圍巖內(nèi)部位移的動態(tài)演化與隧道施工過程密切相關(guān)。直到二次襯砌完工后，圍巖內(nèi)部位移才達到穩(wěn)定狀態(tài)。在監(jiān)測斷面不同位置，拱頂處圍巖內(nèi)部位移均大于隧道拱肩處，甚至大于隧道側(cè)墻處。圍巖層位較低的斷面，圍巖內(nèi)部變形較大。

（4）通過現(xiàn)場監(jiān)測和測量可以知道拱頂位移沉降和周圍位移收斂中存在的問題，分析了圍巖和初始支護在施工中的穩(wěn)定情況和變形程度。它為評估和修改初始支持參數(shù)提供信息。從而保證隧道施工和二次襯砌時間足夠安全。減少了其他監(jiān)測儀器的使用，提高了監(jiān)測效率，降低了成本。目前的監(jiān)測方法和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法對其他土木工程的變形監(jiān)測也有一定的積極參考價值。

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Study on Monitoring and Measurement of Highway Tunnels——Taking Fengshan No.2 Tunnel as an Example

Monitoring and measurement are one of the three main factors of the new Austrian tunneling law. By measuring, collecting and analyzing the deformation data of tunnel rock mass, the measured data can be used to feed back the excavation results and guide the construction in time. Tunnel monitoring includes monitoring methods, monitoring equipment, data processing and analysis, and guides construction through data analysis and feedback. Taking the on-site monitoring of Fengshan No.2 tunnel in Guangxi as an example, some reasonable suggestions are provided for the improvement of tunnel construction. Measures such as energy release and pressure reduction, timely plugging, curtain grouting before excavation and radial grouting are adopted to control high-pressure groundwater. Measures such as improving support stiffness, double-layer primary support, pre-support, increasing pre-deformation, grouting reinforcement and timely installing permanent lining are taken to ensure the safe construction of the tunnel. The study will provide useful reference and guidance for the design, construction and monitoring of similar projects in the future.

highway tunnel; monitoring and measurement; safety construction

U45

A

1008-1151(2022)10-0025-04

2022-08-15

呂培華（1984－），廣西路建工程集團有限公司工程師，從事交通工程建設(shè)與技術(shù)管理工作。