談隧道工程軟弱圍巖檢測技術

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摘要：軟弱圍巖隧道施工中，由于其本身不穩定，必然會對隧道施工的質量控制、安全及經濟效益產生較大影響。在隧道施工中遇到埋深較淺的情況時，需要制定切實可行的施工技術方案，為隧道施工打好基礎，確保施工安全、質量和進度。文章結合工程實例闡述了在軟弱圍巖隧道工程中如何運用相關技術進行準確可靠的地質情況預估，以及通過對獲取到的數據資料進行分析，從而探明地下巖性。實踐證明，通過文中的工程實例運用的技術方法，可以判定圍巖的穩定性和確定破碎段，為后續施工提供有力的指導，使施工順利進行，并能提前規避相應的施工風險，應貫穿于軟弱圍巖隧道施工全過程。

關鍵詞：軟弱圍巖隧道；TSP地質預報；監控量測；探地雷達質量檢測

隧道施工過程具有程序多、內容復雜、相互交叉、隱蔽性強等特點，如何加強超期地質預報、現場監控量測，確保隧道施工安全，已成為隧道施工過程中一個突出問題；如何保證隧道的施工質量、工程質量，已成為隧道施工過程工程檢測中重之又重的關鍵問題。因此，隧道施工各階段的超前地質預報、監控量測和質量檢測也就成為核心問題[1]。

1工程背景

1.1工程概況

隧道左線起止里程ZK0+230～ZK1+497，全長1267m；隧道右線起止里程K0+280～K1+525，全長1245m。限界凈寬18.25m，建筑物限高5m，拱頂圓半徑為10.4m，凈空面積為250.84m2。

1.2地形地貌

坑道區屬丘陵地貌，地形較為簡單，兩側洞口為坡積型地貌，沖溝較為發育，山峰呈尖凸狀，山坡度一般為18～30°。山峰總的走向是從東到西，高度的最高點和最低點分別為140m和20m。

2TSP超前地質預報

通過地質勘查資料和設計圖紙，了解到ZK1+140～K1+240為深部破碎帶，并貫穿隧道洞體，位于破碎帶發育段。利用TST超前地質預報方法，提前預測該段的地質狀況，并與地勘資料和設計圖紙進行核對，以指導施工。

2.1設備儀器

TSP超前地質預報系統主要由超前預報儀、觸發盒、起爆機、三分量傳感器等組成。超前預報儀采用24通道數，頻帶范圍為0.01～10000Hz；三分量傳感器記錄X、Y、Z方向傳感器的波形[2]；采用爆破觸發地震波。

2.2數據采集

數據采集前應進行炮孔布置、傳感器鉆孔布置測試前準備等。具體炮孔布置與傳感器布置如下：（1）傳感器布設距最后一個炮孔20m，左右邊墻對稱布設，與炮孔在同一水平線上[3]。（2）地震波震源炮孔24個，根據主結構面走向布設在一側，位于邊墻距地面1.5m處，第一炮孔盡量靠近掌子面布設，炮孔間距1.5m，孔深為1.8m，炸藥量為200g。（3）全部采用φ60mm風鉆鉆孔。（4）每個孔安裝完畢后，必須用具有一定黏度的黃泥耦合和封堵。完成現場工作布置和儀器連接后進行數據采集。

2.3數據處理

采用TSPwin對TSP采集的數據進行分析，獲得物理參數及反射界面分布等成果。利用獲得的VP、VS、VP/VS、泊松比、楊氏模量等物理參數及反射情況綜合預報隧道存在的溶洞、軟弱巖層、破碎帶及富水帶等不良地質體。在數據處理過程中要結合隧道開挖面的實際情況進行綜合分析。為了便于預測結果與實際開挖結果之間的相互驗證，應給出TSP成果圖。

2.4檢測結果

（1）ZK1+140～ZK1+180，長40.0m。巖體波速在2.0km/s以上，巖體較為完整，節理裂隙較為發育，主要為密閉型和微張型裂隙，穩定性好，屬弱風化石英巖。其中，ZK1+145～ZK1+150及ZK-1+165～zK1-170段反射界面密集，波速波動大，巖體破碎程度較大，屬強風化石英巖。（2）ZK1+180～ZK1+240，長60.0m。巖體的波速在2.1m/s左右，巖體比較完整，節理裂隙比較發育，主要為密閉裂隙和微張裂隙，穩定性較好，屬于弱風化石英巖，施工時應注意巖塊的掉落，并做好支護措施。根據對TSP法超前預報所收集到的資料分析結果，預測了隧道開挖工作面前圍巖破碎帶的分布情況和節理裂縫的發育情況，推算出ZK1+140～ZK1+150、ZK1+165～ZK1+170存在著破碎帶。預報結果與開挖結果基本一致，并對ZK1+195-ZK1+240地勘資料和設計圖紙作了補充，為施工方加強支護措施提供了依據。

3隧道現場監控量測

3.1建立基準點

隧道入口和出口淺埋段和隧道深度小于30m的隧道，以及在沉降段外5倍孔直徑處的水平基準點（水平基準點設置、長期保存和觀測需要確保堅固的點）作為每個觀察點高程測量的基準。根據該工程隧道的地質地形，在隧道左右洞口的一定距離處分別設置水平基點，形成觀測站的水平基點和水平控制網。

3.2監測量測數據的收集、分析和處理，并反饋信息

（1）獲取數據。放置觀察斷面點后，可以使用監視儀器收集數據。現場數據收集至少由2名專職人員負責，每個數據段至少連續測量3次，并將數據記錄在相應的原始記錄表單中。測量時，首先記錄當時的施工環境（如天氣、溫度、濕度），然后記錄該段的里程數和該監控時間及日期。對于收集的每個數據，必須可用于分析和處理的數據處理程序。監控中，可根據位移率的變化及與開挖斷面之間的距離提高或降低監控頻率[4]。（2）分析和處理實測數據。①根據監測測量所收集的數據，繪制各斷面圍巖和支護結構的變形曲線，并根據該斷面圍巖穩定性是否隨時間減少，初步確定該曲線各段的可變率；②使用回歸分析對監測段數據進行進一步回歸分析，確定最佳回歸分析功能，估計圍巖未來發展和變化趨勢；③基于信息反饋和預測。收集的監測數據，采用數學和巖石力學相結合的方法構建信息反饋預測的隧道圍巖模型，進行圍巖數值計算和支護結構的內力分析，并將結果應用于隧道施工。

3.3監測地表沉降變形的結果與分析

對地表ZK1245的巖體進行了Ⅴ級軟弱圍巖分析，其巖石學為頁巖、泥質砂巖，巖石結構和破碎穩定性較差。5個監測點的整體變形曲線表明，隧道開挖和挖空區域的表面沉降大于未隧道的區域，離隧道中心線越遠，沉降越小，隧道開挖正上方，即拱頂a點正上方的表面沉降變化最大。此外，隧道初期支護完成后，由于圍巖與支護結構的相互作用，地面沉降最終趨于穩定（收斂）。

4探地雷達質量檢測

4.1線路布置圖

（1）襯砌質量檢查。隧道施工中，初期支護和二次襯砌質量檢查主要是縱向布線。隧道在水平方向共有5條測量線，分別為拱頂、左右拱腰以及左右側墻。三車道隧道需要在隧道拱頂部分加2條調查線。（2）檢查仰拱。檢測仰拱也基于縱向布線，橫斷面布線作為輔助。測量線在隧道中心線的左側和右側分別沿著2m（測量線a和測量線b）的垂直方向放置，通常在發現距離為6～8m的無效線段時，可以沿隧道水平加測。

4.2數據處理

通常需要軟件進行處理后獲得有助于解釋的結果或圖像。雷達收集的原始數據中既有有用的信息，也有各種噪聲，還有些被噪聲掩蓋。因此，原始數據通常經過后期軟件處理，以獲得有助于解釋的結果或圖像。數據處理的目的是抑制噪聲，改善信號，提高數據的信噪比，提取數據的速度、振幅、頻率、相位等特性信息。

4.3探地雷達結果解析

（1）鋼支撐。中鋼支撐襯里混凝土（鋼拱、格柵鋼框架等）、雷達剖面的反射信號是分布式新月形的強反射信號，表示每個反射信號都有一個鋼拱結構。該雷達剖面，除擾動波信號外沒有其他異常反射，襯砌混凝土結構很密集，同時后部圍巖緊密結合。（2）空洞及不密實帶。脫空及不密實典型的雷達剖面如圖1所示。從圖1中可以看出，普通二次襯砌后背脫空，具有反射波信號強、三振相明顯、底面反射界面強烈等特點；初期支護具有背部回填不緊密，反射波多、雜，反射波能量強度大變化等特點。

5結論

在隧道施工過程中，通過上述方式方法可以保證隧道工程的安全，保證質量，保證工程進度，降低風險。（1）該隧道工程采用TSP方法進行超前地質預報工作，作為地質預報探測手段，對圍巖中的軟弱構造帶、斷層和破碎帶等不良地質體具有較好的預報效果。選擇該隧道部分具有代表性的超前地質預報成果，對ZK1+145～ZK1+150/ZK1+165～ZK1+170巖體進行了破碎預測，并對ZK+195～ZK1+240巖體的破碎預測結果進行了驗證，是對地勘資料的一種有益補充。（2）制定監測量測的具體實施方案，并在地面沉降觀測中進一步確定支護和圍巖變形情況，這對現場施工提供了可靠的保證。（3）探地雷達探測數據要進行有效的數據處理，首先采用調整方向等操作，并反復使用各種參數進行處理，可達到層次分明、缺陷清晰的效果；然后根據介電常數確定內襯的厚度，進行缺陷分析等，并輸出結果。

參考文獻：

[1]陳超.施工隧道質量安全評估及數值模擬研究[D].合肥:合肥工業大學,2015.

[2]雷亞妮,杜立志,張曉培,等.TSP24隧道超前地質預報系統及其應用[J].華北地震科學,2013,31(4):41-46.

[3]何生龍.TSP在超前地質預報中處理與解譯的研究[J].工程技術研究,2019,4(6):114-116.

[4]姚欣鵬.大干溪Ⅰ號隧道軟弱圍巖大變形機理及其處治技術研究[D].長沙:長沙理工大學,2015.

[5]李中山.鐵路軟弱圍巖大變形隧道施工控制技術研究[J].工程技術研究,2018(15):42-43.

作者：朱賢德 包寅杰 單位：浙江交科工程檢測有限公司