董垠楓,張宏程

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

近年來，越來越多的公路項目向山嶺重丘區(qū)延伸，而為了保證線形的平順，不可避免地開挖大量隧道。隧道工程施工難度大，尤其是軟弱圍巖隧道，如果不能在施工期間準確監(jiān)測變形受力規(guī)律，掌握掌子面前方的不良地質(zhì)分布情況，容易導致塌方、掉塊、涌水、突泥等事故，嚴重的可能造成大量人員傷亡，從而影響施工進度和施工成本[1]。因此，進一步研究軟弱圍巖隧道的監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預報及質(zhì)量檢測具有重要的工程價值。

1 工程概況

1.1 建設(shè)標準

以某山區(qū)高速公路雙向四車道隧道為研究對象，探討了其監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預報及質(zhì)量檢測方法。該隧道屬于中隧道，全長950 m，左線起訖樁號為ZK10+500～ZK11+450，右線起訖樁號為YK10+495～YK11+445，設(shè)計荷載為公路I 級，設(shè)計速度為80 km/h。

隧道支護方式為復合式襯砌，其中初期支護為注漿錨桿（直徑25 mm、長度3 m/根、環(huán)向間距1 m）+鋼拱架（間距75 cm）+混凝土噴層；二次襯砌為混凝土噴層，隧道施工時采用“新奧法”。

1.2 地質(zhì)、水文、氣象條件

根據(jù)施工圖勘察報告，隧道圍巖以強風化灰?guī)r、泥巖等為主，層間結(jié)合差，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬于軟弱圍巖，圍巖等級為Ⅴ級。同時，隧道所在區(qū)域為溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明、雨量充沛，年平均氣溫約16.6 ℃，年平均降水量約785.6～960.8 mm。

2 軟弱圍巖隧道監(jiān)控量測分析

2.1 隧道監(jiān)控量測內(nèi)容

軟弱圍巖隧道監(jiān)控量測就是在開挖期間，采用專門的儀器對圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形和受力開展動態(tài)監(jiān)測，以判斷隧道設(shè)計支護方案是否能夠滿足施工要求，為支護方案變更和隧道二次襯砌施工提供理論依據(jù)。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018，下簡稱《規(guī)范》），根據(jù)重要性不同，可將公路隧道監(jiān)控量測內(nèi)容劃分為必測項目和選測項目兩類，前者包括洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉、周邊收斂、地表沉降，后者包括桿軸力、圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、圍巖彈性波速等，測量方法復雜，測量成本高，一般只在局部危險路段監(jiān)測[2]。

2.2 隧道監(jiān)控量測方法

2.2.1 監(jiān)測儀器

軟弱圍巖隧道拱頂下沉可采用全站儀或水準儀測量；周邊收斂變形可采用全站儀或收斂計測量。需注意，隧道拱頂下沉和周邊收斂在測量前要按設(shè)計文件要求粘貼反光片。

2.2.2 斷面和測點布置

軟弱圍巖隧道掌子面開挖后，其圍巖應力重新分布，并出現(xiàn)變形，且應力和變形在掌子面開挖24 h 內(nèi)變化較快。為了準確獲取隧道圍巖變形特征，應在掌子面開挖后盡快布置監(jiān)測斷面和測點，且不能距離掌子面太近，以免爆破作業(yè)破壞監(jiān)測斷面。由相關(guān)規(guī)定可知，必測項目的監(jiān)測間距應結(jié)合圍巖等級、施工方法、地質(zhì)條件等確定。對于Ⅴ級軟弱圍巖，建議監(jiān)控量測間距取5～10 m，同時，拱頂下沉監(jiān)測點宜布置在隧道中心線位置，周邊收斂監(jiān)測點宜對稱布置在隧道拱腰附近。此外，各監(jiān)測點的讀數(shù)頻率應嚴格遵循設(shè)計文件，如設(shè)計無明確要求，拱頂下沉和周邊收斂在第1～15 d、第16～30 d、第30～90 d 的量測頻率可分別取1～2 次/d、1 次/2 d、1～2 次/w。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

在分析軟弱圍巖隧道變形特性前，要先將個別明顯異常的數(shù)據(jù)剔除。隧道的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的離散型較大，為了準確分析變形量隨監(jiān)測時間的變化規(guī)律，可采用數(shù)理統(tǒng)計軟件（EXCEL、Origin、SPASS 等）中的回歸分析函數(shù)來推演兩者之間的關(guān)系，比如雙曲線函數(shù)、多項式函函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等。

2.3 隧道監(jiān)控量測結(jié)果分析

2.3.1 預警標準

為了確保隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的可用性，需建立相應的預警機制，并給出相應的施工建議。結(jié)合相關(guān)研究成果，該文給出了如表1 所示的預警機制[3]。

表1 軟弱圍巖隧道監(jiān)控量測預警機制

2.3.2 量測結(jié)果

該文將該軟弱圍巖隧道K10+800 斷面的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)導入Origin 軟件中分析，如圖1 所示。

圖1 軟弱圍巖隧道變形結(jié)果

由圖1 可知：隨著隧道掌子面開挖時間的增加，其拱頂下沉量和周邊收斂變形不斷增加。當監(jiān)控量測時間＜15 d，隧道變形速率較快，變形量和時間基本呈線性變化趨勢，其中拱頂下沉速率約0.74 mm/d、周邊收斂速率約0.53 mm/d；當監(jiān)控量測時間超過25 d，隧道的拱頂下沉和周邊收斂逐漸趨于穩(wěn)定，隧道管理等級為Ⅱ級，需加強支護。

3 軟弱圍巖隧道超前地質(zhì)預報分析

在軟弱圍巖隧道施工期間，容易遇到各種不良地質(zhì)，比如溶洞、斷裂破碎帶等，通過探地雷達法、TGP 法、超前水平鉆孔法等超前預報技術(shù)能有效識別不良地質(zhì)分布情況，以便于及時調(diào)整施工方案。

3.1 探地雷達預報技術(shù)

3.1.1 工作原理

相對于普通雷達，探地雷達是利用發(fā)射天線發(fā)射的高頻寬帶電磁波向掌子面前方傳播，遇到不同介質(zhì)后會產(chǎn)生反射波，被接收天線接收，技術(shù)人員利用電腦系統(tǒng)對反射波進行處理，具體處理步驟如下：導入數(shù)據(jù)→1D濾波、校正→能量增益→2D 濾波→反褶積→偏移處理→導出圖像。

3.1.2 關(guān)鍵參數(shù)選擇

介電常數(shù)決定了隧道地下介質(zhì)的電導率，從而影響隧道預報精度，不同地下介質(zhì)的介電常數(shù)和電導率對應關(guān)系如表2 所示。

表2 探地雷達介電常數(shù)選擇

發(fā)射天線頻率的取值不宜過高，否則難以查明掌子面前方的不良地質(zhì)。目前，隧道探地雷達常用的發(fā)射天線頻率有35 MHz、100 MHz、200 MHz，其探測距離約40～50 m、20～25 m、10～12 m。對于軟弱圍巖隧道，建議探地雷達天線頻率取200 MHz。

當探地雷達介電常數(shù)和發(fā)射天線頻率固定后，可利用式（1）來估算其時窗W[4]。

式中，dmax——探測距離（m）；v——電磁波傳播速度（m/s）。

3.2 TGP 預報技術(shù)

TGP（Tunnel Geophysics Prediction）探測系統(tǒng)由波源、接收器、記錄和分析處理等單元組成，其中振源為系統(tǒng)激發(fā)地震波，需在隧道左、右兩側(cè)均勻地布置若干個炮點，并埋入少量炸藥；接收器用于接收反射地震波，記錄單元用于收集存儲地震波，分析處理單元室一套智能化軟件，能快速、準確地輸出隧道超前預報結(jié)果，具體檢測原理如圖2 所示。TGP 技術(shù)的關(guān)鍵是確定炮點間距L，L值過大會減小同一有效波辨認可靠性，反之，有效反射波段會縮短。結(jié)合相關(guān)研究成果，炮間距最大值Lmax可按式（2）估算：

圖2 TGP 超前預報系統(tǒng)示意

式中，L*——有效波視速度（m/s）；f——有效波頻率（Hz）。

相對于探地雷達，TGP 探測系統(tǒng)的一次性預報距離長，可達100～120 m，且探測時間多，對隧道施工影響小，單位長度的預報費用低，一般用于長隧道或特長隧道。

3.3 超前水平鉆孔法

超前水平鉆孔法是在開挖掌子面上用水平鉆機向前鉆探，將鉆取巖芯進行室內(nèi)試驗，根據(jù)試驗指標來分析掌子面前方的地質(zhì)情況。該方法是軟弱圍巖超前地質(zhì)預報最直接的方法，但其預報成本高，占用施工時間長，對施工干擾大，在巖體破碎處容易出現(xiàn)卡鉆、鉆進困難等問題，一般是用于配合探地雷達法或TGP 探測法。

3.4 建議綜合超前預報體系

軟弱圍巖隧道地質(zhì)情況復雜，以建立綜合超前預報體系，即選擇兩種或兩種以上的預報措施相互驗證，以提高預報的準確性。軟弱圍巖隧道綜合超前預報體系建立應堅持兩大原則：一是以隧道掌子面的地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)；二是要將物探方法與鉆探方法相結(jié)合。該文以該隧道的K10+800 斷面為基準，首先利用探地雷達探測了其前方地質(zhì)情況，結(jié)果表明：掌子面前方3～5 m 處的反射波較異常，可能有巖溶病害。隨后，利用超前鉆孔法對巖溶空間分布特征進行了確認，建議及時將巖溶水排水，以免隧道出現(xiàn)突水、涌水等事故。

4 公路隧道質(zhì)量檢測分析

4.1 初期支護輪廓線檢測

軟弱圍巖隧道的初期支護輪廓線檢測可利用激光斷面儀，其測量原理為極坐標法，具體闡述如下：以水平方向為基準，按一定的角度、距離一次測定儀器旋轉(zhuǎn)中心與隧道開挖輪廓線間的矢徑及矢徑與水平方向的夾角，隨后將矢徑端點依次相連，得到實際開挖輪廓線，并與設(shè)計輪廓線進行對比，以避免超欠挖情況發(fā)生。

4.2 錨桿錨固質(zhì)量檢測

軟弱圍巖隧道的支護錨桿可以以灌漿飽滿度、長度比（實測長度與設(shè)計長度的比值）為評價指標，將錨桿質(zhì)量劃分成合格和不合格兩個等級，具體評價標準如表3所示[5]：

表3 隧道錨桿質(zhì)量評價指標

4.3 襯砌混凝土強度

混凝土抗壓強度不同，表面硬度也不同，回彈儀打擊在混凝土表面上的回彈高度也不同，且三者之間存在一定的比例關(guān)系，故可用回彈儀測量混凝土的抗壓強度。由《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23—2011）可知，回彈儀有重型和輕型兩種。當隧道襯砌混凝土標號低于C50，可采用中型回彈儀，反之，宜采用重型回彈儀，如果條件允許，建議采用自動式或半自動式回彈儀。

5 結(jié)語

該文以某山區(qū)高速公路軟巖隧道為研究對象，分析了其監(jiān)控量測、地質(zhì)超前預報及質(zhì)量檢測方法，得到了以下幾個結(jié)論：

（1）軟巖隧道監(jiān)控量測有必測項目和選擇項目，應合理布置監(jiān)測斷面和測點，并建立預警機制。

（2）隨著隧道開挖時間的增加，其拱頂下沉和周邊收斂均增大，當開挖25 d 后變形達到峰值。

（3）軟巖隧道宜堅持物探與鉆探相結(jié)合的原則，利用探地雷達、TGP、超前水平鉆等技術(shù)建立綜合超前預報體系，準確預報掌子面前方的不良地質(zhì)。

（4）隧道質(zhì)量檢驗應重視初期支護輪廓線、錨桿錨固質(zhì)量及襯砌混凝土強度等。