祁文睿，高永濤

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

近年來，隨著高速公路和鐵路建設(shè)不斷的擴(kuò)展，隧道工程的修筑也越來越常見，且經(jīng)常面對(duì)的是極其復(fù)雜的地質(zhì)條件。軟弱破碎圍巖地段是一種常見的不良地質(zhì)體，在隧道開挖施工過程中經(jīng)常需要穿越這種不良地質(zhì)體。然而，由于這種不良地質(zhì)體巖體極其破碎，富水性好以及強(qiáng)度低，施工過程中易誘發(fā)塌方、突水和突泥等災(zāi)害，導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，有必要開展相應(yīng)的研究以保證隧道施工安全高效[1-3]。

國內(nèi)外巖土工程研究者關(guān)于軟弱破碎圍巖地段隧道開挖施工，進(jìn)行了許多的研究工作，并取得了一些研究進(jìn)展。李利平等[4]以某隧道為背景，開展了雙線隧道大斷面開挖的大型地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗(yàn)，揭露了在不同工法工況下隧道穿越軟弱破碎地層過程中圍巖變形的三維演化規(guī)律。王章瓊等[5]提出采用打設(shè)泄水、小導(dǎo)管注漿和超前管棚等綜合施工方案用于控制隧道穿越斷層破碎帶時(shí)塌方涌水災(zāi)害。周毅等[6]利用數(shù)值分析軟件FLAC3D，系統(tǒng)地研究了不用埋深條件下多種開挖工況對(duì)隧道軟弱破碎圍巖施工變形的影響，提供了最優(yōu)的開挖進(jìn)尺對(duì)于變形的控制。馬棟等[7]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段，提出了基于分水降壓和內(nèi)堵外固的高鐵隧道通過富水?dāng)鄬悠扑閹ЬC合處治措施，最終隧道安全穿越破碎帶。朱合華等[8]依托隧道軟弱破碎帶圍巖工程，基于室內(nèi)相似模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，再現(xiàn)了隧道破碎地層開挖圍巖漸進(jìn)性破壞過程和應(yīng)力場(chǎng)特征。龔成明等[9]探討了隧道穿越斷層破碎帶的安全施工技術(shù)，為控制災(zāi)害的發(fā)生提供了依據(jù)。李玉生等[10]根據(jù)物理模型試驗(yàn)研究了隧道穿越破碎帶時(shí)突水涌泥機(jī)理。Kimura F等[11]討論了在富含黏土的巖石地層中，隧道穿越大型的斷層破碎帶時(shí)的支護(hù)加固技術(shù)。雷軍等[12]依托烏鞘嶺隧道開挖通過F7斷層破碎帶工程，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)施工措施，保證了隧道安全快速的施工。

盡管關(guān)于隧道穿越斷層軟弱破碎區(qū)施工的課題開展了許多研究，但是大多數(shù)研究是基于室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段進(jìn)行開展的，這兩種研究手段均是在理想環(huán)境進(jìn)行，許多條件都進(jìn)行了簡(jiǎn)化和假設(shè)，并不能充分考慮隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜地質(zhì)條件，導(dǎo)致研究結(jié)果缺乏普遍適用性。因此，根據(jù)某公路隧道穿越F139軟弱破碎地段工程，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究手段，開展了軟弱破碎區(qū)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、綜合開挖加固技術(shù)以及破碎區(qū)圍巖變形綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，保障了公路隧道安全順利通過破碎帶，以期為同類隧道工程提供指導(dǎo)和參照。

1 工程概況

1.1 隧道及工程水文地質(zhì)概況

北京段某高速公路工程全長33.2 km，其上設(shè)置了一座雙向4車道高速隧道(設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h)，隧道進(jìn)京線起訖里程為ZK16+346.6～ZK20+965，長度為4.618 km，隧道出京線起訖里程為YK16+342～YK21+022，長度為4.680 km。該公路隧道是分離式的中等跨度隧道，單洞建筑物界限尺寸為11.0 m×5.5 m，隧道進(jìn)出口平面設(shè)計(jì)為縱向坡度2.6%的單向坡，設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，抗震設(shè)防烈度為8級(jí)，隧道施工過程中采用縱向式的機(jī)械通風(fēng)方式為隧洞內(nèi)供風(fēng)。

地勘報(bào)告顯示，隧址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，主要地層包括第四紀(jì)坡積、洪積層、長城系以及太古界，其中第四紀(jì)坡積和洪積層連續(xù)分布，厚度大約為0.8～3.5 m；長城系基巖層包括常州溝組石英砂巖、串嶺溝組黑色頁巖以及大紅峪組石英砂巖；太古界片麻巖基巖層分布于背斜地層的核部。隧道洞身主要以IV和V級(jí)圍巖為主，IV圍巖占了雙洞隧道總長的43.68%，V級(jí)圍巖占了雙洞隧道總長的51.76%。隧址區(qū)地下水豐富，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，主要為褶皺和斷裂帶構(gòu)造，其中包括6條軟弱斷層破碎帶，分別為斷層F137，F(xiàn)138，F(xiàn)139，F(xiàn)140，F(xiàn)141和F142，其中F139斷層破碎帶及其影響范圍對(duì)隧道開挖施工的影響最大。F139斷層為典型的正斷層，產(chǎn)狀為181～187°∠75°，斷層寬度為150 m(起訖里程YK20+450～YK20+600)，與隧道出京線相交里程為YK20+450，該段隧道埋深約45～115 m。包含F(xiàn)139斷層的出京線縱斷面圖如圖1所示。斷層帶內(nèi)巖體破碎，裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)育嚴(yán)重，膠結(jié)性差，構(gòu)造裂隙水發(fā)育，破碎帶圍巖主要為密云群中等風(fēng)化片麻巖和長城系強(qiáng)-中等風(fēng)化變質(zhì)石英砂巖和板巖，其中還包含大量的構(gòu)造角礫巖。破碎帶圍巖等級(jí)為V級(jí)，工作面圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)性極差，施工過程中操作不當(dāng)或受到擾動(dòng)易發(fā)生塌方、突水等災(zāi)害。

圖1 含F(xiàn)139斷層破碎帶隧道縱斷面圖Fig.1 Profile view of tunnel with F139 fault fracture zone

1.2 施工技術(shù)難點(diǎn)分析

F139軟弱斷層破碎里程(YK20+450～YK20+600)施工過程中，掌子面被裂隙結(jié)構(gòu)面互相切割，穩(wěn)定性差，巖體破碎，內(nèi)摩擦角低，經(jīng)常觀察到自然滑塌現(xiàn)場(chǎng)。2018年3月2日，隧道開挖施工到掌子面里程YK20+495.5時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員正在施作鋼拱架，掌子面右拱肩發(fā)生塌方，塌落高度約為2.5～4 m，寬度約為3～5 m，所幸人員撤離及時(shí)，沒有導(dǎo)致人員地傷亡，另外還觀察到塌方后，掌子面圍巖還自然地往下掉塊，自穩(wěn)性極差，圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，呈現(xiàn)出松散的似土狀。2018年3月15日下午，隧道開挖施工到掌子面里程YK20+531.6時(shí)，在掌子面上臺(tái)階鉆孔過程中前方突發(fā)突水事故，起初水流量與水壓較大，一段時(shí)間后水壓逐漸變小，水流涌出時(shí)伴隨著泥土的涌出，嚴(yán)重地耽誤進(jìn)度和施工作業(yè)。因此，針對(duì)軟弱斷層破碎帶施工面臨的難點(diǎn)，亟需開展斷層破碎帶開挖施工與支護(hù)的綜合技術(shù)研究，并實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)破碎圍巖的變形規(guī)律研究，及時(shí)反饋圍巖變形特性，保證隧道順利通過破碎區(qū)。

2 隧道穿越軟弱破碎圍巖區(qū)段綜合施工技術(shù)

針對(duì)F139軟弱斷層破碎帶YK20+450～YK20+600里程段圍巖破碎，自穩(wěn)性差以及現(xiàn)場(chǎng)遇到的施工技術(shù)難點(diǎn)，提出采用“綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確預(yù)判掌子面前方不良地質(zhì)的賦存狀態(tài)、短進(jìn)尺3臺(tái)階7步開挖施工方法、地表預(yù)注漿加固以及雙排小導(dǎo)管超前支護(hù)”的綜合施工方案超前加固了破碎圍巖體并起到堵水功效，最終保證了隧道安全高效穿越F139軟弱破碎圍巖地段。

2.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在隧道掌子面開挖施工之前，開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究，能夠提前判斷掌子面前方的復(fù)雜地質(zhì)條件，進(jìn)一步確定圍巖等級(jí)以及變更情況，為后續(xù)選擇合理經(jīng)濟(jì)的施工方法提供了參考依據(jù)。目前為止，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的施作變成了隧道工程必不可少的環(huán)節(jié)，也是確保隧道施工安全的關(guān)鍵措施之一。對(duì)于軟弱斷層破碎帶地段，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，圍巖穩(wěn)定性差，富水條件好，荷載擾動(dòng)下易發(fā)生塌方和突水等地質(zhì)災(zāi)害，因此，開展科學(xué)先進(jìn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作對(duì)于隧道高效施工顯得格外得重要[13]。

根據(jù)F139軟弱斷層破碎帶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工狀況以及勘察設(shè)計(jì)資料，現(xiàn)場(chǎng)開展了基于隧道地震預(yù)報(bào)、探地雷達(dá)、超前地質(zhì)鉆探以及孔內(nèi)成像的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究，通過各種方法的判斷結(jié)果相互解釋和驗(yàn)證以準(zhǔn)確地判斷和揭露掌子面前方的地質(zhì)條件，包括斷層的賦存條件和形態(tài)、富水情況和其他潛在的不良地質(zhì)體。

2.1.1 隧道地震預(yù)報(bào)

隧道地震預(yù)報(bào)(TSP)屬于一種彈性波探測(cè)法，有效的探測(cè)距離能夠達(dá)到100～150 m，是一種中長距離的探測(cè)方法，其基本原理是采用人工激發(fā)地震波遇到不良地質(zhì)體(比如斷層、溶洞)所產(chǎn)生的反射波特點(diǎn)來預(yù)判掌子面前方的地質(zhì)條件，反射波通過三分量接收器進(jìn)行接收[14]。隧道施工采用的TSP203Plus進(jìn)行超前探測(cè)，參數(shù)設(shè)定為：記錄單元24位A/D轉(zhuǎn)換，采樣間隔62.5 μs，動(dòng)態(tài)范圍120 db，接收器頻率范圍0.5～5 000 Hz，記錄長度512 ms，數(shù)據(jù)的采集和處理采用TSPwin軟件。

在掌子面里程YK20+460處施作TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以探測(cè)YK20+460～YK20+600范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況，預(yù)報(bào)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，里程YK20+460～YK20+500范圍內(nèi)，巖體力學(xué)參數(shù)(包括速度、泊松比、縱波橫波速度比以及靜、動(dòng)態(tài)楊氏模量)變化較為穩(wěn)定，沒有較大的波動(dòng)，反射面數(shù)量不多且比較分散，表明該里程段范圍內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育但不是很嚴(yán)重，巖體中等風(fēng)化，圍巖穩(wěn)定性一般，地下水弱發(fā)育。然而，里程YK20+500～YK20+600范圍內(nèi)，上述巖體力學(xué)參數(shù)變化浮動(dòng)明顯增大，局部震蕩較為明顯，并且觀察到反射面數(shù)量迅速增加，分布較為密集(見圖2中虛線框所示)，上述現(xiàn)象表明，所研究的里程范圍內(nèi)巖體破碎，巖質(zhì)較軟，裂隙結(jié)構(gòu)面分布廣泛，圍巖受強(qiáng)風(fēng)化作用，松散破碎，地下水發(fā)育，圍巖穩(wěn)定差，屬于F139斷層破碎帶的核心影響區(qū)段，施工過程中應(yīng)采取合適技術(shù)措施，開挖進(jìn)尺縮短，及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)和開展實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)作業(yè)，保證施工安全。

圖2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果Fig.2 Result of TSP advanced geological forecast

2.1.2 探地雷達(dá)

探底雷達(dá)(GPR)屬于一種電磁波探測(cè)方法，探測(cè)距離為掌子面前方15～30 m范圍，屬于短距離超前探測(cè)方法，其原理主要是采用寬帶高頻時(shí)域電磁脈沖波的反射來探測(cè)前方的目標(biāo)體[15]。現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)采用的是瑞典RAMAC/GPR(ZL1 504)型地質(zhì)雷達(dá)以及100 MHz屏蔽天線。探測(cè)過程的參數(shù)設(shè)置如下：采樣頻率為1 050 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)512，自動(dòng)疊加的測(cè)量方式，觸發(fā)間距為0.1 m?，F(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)探測(cè)測(cè)線布置呈“井”字形，包括4條測(cè)線(測(cè)線1～4)，分別為2條水平測(cè)線和2條豎直測(cè)線，測(cè)線布置示意圖如圖3所示。

圖3 雷達(dá)測(cè)線及超前地質(zhì)鉆孔布置示意圖(單位 ：m)Fig.3 Schematic diagram of radar survey line and advanced geological drilling layout(unit:m)

利用地質(zhì)雷達(dá)在掌子面YK20+486.5里程開展預(yù)報(bào)，探明前方30 m的地質(zhì)狀況，探測(cè)結(jié)果如圖4所示。從4條測(cè)線的探測(cè)結(jié)果中可知，在工作面前方2～15 m范圍內(nèi)，電磁波信號(hào)呈現(xiàn)出中高頻現(xiàn)象，能量聚集，分布非常不均勻，沿掌子面前方能量衰減較快，波形雜亂無章，表現(xiàn)出不均一性，同相軸錯(cuò)段不連續(xù)，電磁反射波的波組同向性較差，波的振動(dòng)幅度較大，局部區(qū)域觀察到散射和繞射的現(xiàn)象。這些描述表明該范圍內(nèi)巖體破碎嚴(yán)重，裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，局部還存在軟弱物質(zhì)充填，遇到容易軟化，巖體強(qiáng)度低。而15～30 m深度范圍內(nèi)，電磁波信號(hào)具有一定的連續(xù)性，振幅不明顯，信號(hào)以中低頻占多數(shù)，但局部依然觀察到同相軸時(shí)斷時(shí)續(xù)，反射信號(hào)紊亂，表明該探測(cè)范圍內(nèi)圍巖整體性稍好，節(jié)理裂隙只是在局部發(fā)育，這些區(qū)域可能含有水，結(jié)構(gòu)松散，也可能是軟弱帶或夾層。因此在施工過程中要注意及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，減少巖體的暴露時(shí)間，預(yù)防塌方掉塊和突水災(zāi)害的出現(xiàn)。

圖4 YK20+486.5里程雷達(dá)探測(cè)結(jié)果Fig.4 Result of radar detection at mileage YK20+486.5

2.1.3 超前地質(zhì)鉆孔及孔內(nèi)成像

為了進(jìn)一步探明掌子面前方的地質(zhì)條件，在上述物探法的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展鉆探法超前探測(cè)，前者屬于無損探測(cè)，后者屬于有損探測(cè)。本次超前地質(zhì)鉆探預(yù)報(bào)的孔位布置如圖3所示，即在掌子面上鉆鑿3個(gè)水平地質(zhì)鉆孔，分別為1#，2#和3#鉆孔，孔的直徑均為120 mm。2018年2月27日，現(xiàn)場(chǎng)施工人員操縱超前水平鉆機(jī)在YK20+486.5里程進(jìn)行掌子面前方35 m距離的超前預(yù)報(bào)(即里程YK20+486.5～ YK20+521.5區(qū)段)，以更準(zhǔn)確地了解前方的地質(zhì)條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果可知，前15 m范圍內(nèi)，巖體較為堅(jiān)硬，穩(wěn)定性和裂隙發(fā)育一般，巖石中等風(fēng)化為主，水系發(fā)育不大嚴(yán)重，只觀察到少量的水流。相反，鉆鑿后20 m施工過程中，巖體明顯破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育嚴(yán)重，呈現(xiàn)出強(qiáng)風(fēng)化的特征，地下水流量較大，圍巖自穩(wěn)性較差。

此外，為了更為直觀地反映孔內(nèi)巖體的特征、富水情況以及裂隙的發(fā)育特征程度，基于孔內(nèi)成像原理在YK20+486.5里程對(duì)于上述3個(gè)水平鉆孔進(jìn)行鉆孔探測(cè)成像。采用的成像設(shè)備是天宸TS-CD01鉆孔多功能成像分析儀，圖5顯示了3個(gè)鉆孔在10,20,30 m處的成像結(jié)果。從圖中可以看出，相比鉆孔內(nèi)10 m位置，30 m處水量明顯增大，巖體更為破碎，風(fēng)化更為嚴(yán)重，表明孔內(nèi)后半段圍巖自穩(wěn)性更差，節(jié)理裂隙發(fā)育嚴(yán)重。此外，成像結(jié)果中還觀察到了巖體褐黃色的浸染構(gòu)造，這是由于風(fēng)化作用導(dǎo)致的結(jié)果。

圖5 1#～3#鉆孔孔內(nèi)成像Fig.5 Imagings in 1st to 3rd drilling holes

上述現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探測(cè)結(jié)果表明，超前地質(zhì)鉆探及孔內(nèi)成像的探測(cè)結(jié)果與TSP探測(cè)、探地雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果較為吻合，綜合探測(cè)結(jié)果顯示，YK20+490～YK20+600里程段是F139軟弱斷層破碎帶的核心地段，此區(qū)段圍巖破碎嚴(yán)重，穩(wěn)定性差，巖體受風(fēng)化作用影響大，強(qiáng)度低偏軟，地下水豐富，開挖施工過程中要及時(shí)施作超前加固措施，控制支護(hù)作業(yè)施作時(shí)間，盡量發(fā)揮圍巖的自承能力，采用短進(jìn)尺弱爆破施工方式減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，提高圍巖的自穩(wěn)性，保證施工安全。

2.2 開挖施工方法

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況以及綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，提出采用3臺(tái)階7步開挖施工方法[16]。施工過程中需要合理控制弧形導(dǎo)洞的開挖進(jìn)度，利用分部開挖的方式進(jìn)行施工，采用控制爆破方法開挖，優(yōu)化爆破施工參數(shù)，防止爆破震動(dòng)荷載導(dǎo)致圍巖坍塌，當(dāng)遇到圍巖極其破碎時(shí)，可在隧道拱頂位置施作豎向臨時(shí)方木支撐。本區(qū)段設(shè)計(jì)為V級(jí)圍巖，襯砌類型為Vc級(jí)復(fù)合加強(qiáng)型襯砌支護(hù)形式，隧道開挖的循環(huán)進(jìn)尺為兩環(huán)鋼架的距離，鋼架設(shè)計(jì)為HW175型鋼架，間距取決于實(shí)際圍巖情況，采用的錨桿類型為普通中空注漿錨桿，長度為3.5 m，設(shè)計(jì)預(yù)留變形量為12 cm。

2.3 地表預(yù)注漿

針對(duì)F139軟弱斷層破碎核心影響地段(里程YK20+490～YK20+600，長度110 m)，且埋藏深度不大于65 m的區(qū)段，隧道施工開挖之前實(shí)施地表預(yù)注漿作業(yè)，提前加固破碎圍巖體，改善圍巖體的力學(xué)性能。地表預(yù)注漿加固采用直徑為50 mm PVC注漿管進(jìn)行注漿，注漿加固的橫向范圍為隧道中心軸線兩側(cè)各10.8 m，豎向加固深度范圍為隧道隧底以下3 m。注漿孔分為帷幕孔和內(nèi)部孔，帷幕孔也稱外部孔，布置在最外側(cè)，施工過程中應(yīng)該先對(duì)帷幕孔進(jìn)行注漿形成帷幕墻抑制內(nèi)部孔注漿時(shí)漿液的流失，再施作內(nèi)部孔注漿，形成一種以帷幕孔注漿為約束和以內(nèi)部孔注漿進(jìn)行發(fā)散的間隔式的跳孔注漿模式。帷幕孔注漿材料采用普通水泥-水玻璃雙液漿，額外加入水泥重量2%～3%的速凝劑，以加快漿液的凝固時(shí)間，內(nèi)部孔注漿材料采用單液漿注漿(摻HPC同性能的普通水泥)。注漿期間利用剛性材質(zhì)的袖閥管自孔底向孔口進(jìn)行注漿，是一種后退式分段注漿加固過程，地表注漿的詳細(xì)施工參數(shù)如表1所示。

表1 地表注漿施工參數(shù)Tab.1 Construction parameters of surface grouting

2.4 雙層小導(dǎo)管超前注漿

除了洞外地表預(yù)注漿，洞內(nèi)還施作雙層注漿小導(dǎo)管超前加固隧洞周圍巖體，減少周邊巖體的變形和位移。雙層注漿小導(dǎo)管施工的關(guān)鍵點(diǎn)在于隧道施工開挖之前，沿著隧道開挖邊緣鉆鑿一定直徑的雙層布置的鉆孔，然后打入具有一定數(shù)量注漿孔的鋼管，漿液通過鋼管表面布置的注漿孔到達(dá)破碎圍巖體，充填巖體中的裂隙孔隙并固結(jié)破碎圍巖體，從而在隧洞周圍形成一圈密實(shí)的加固圈，提高周圍巖體的物理力學(xué)參數(shù)和抵抗變形的能力。對(duì)于F139軟弱斷層破碎帶地段，隧道開挖施作雙層小導(dǎo)管施作過程中，第1層(最外層)小導(dǎo)管角度設(shè)定為22°～30°，其加固作用機(jī)制是錨桿加固作用和加固注漿作用；第2層(最內(nèi)層)小導(dǎo)管角度設(shè)定為5°，其加固作用機(jī)制是梁的作用，即形成穩(wěn)固巖體和鋼拱架兩端固定的固端梁模型，提高巖體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，防止巖體塌落。雙層小導(dǎo)管布設(shè)在拱部150°范圍，最外層施作46根，最內(nèi)層施作45根，每根小導(dǎo)管的長度為4.5 m，注漿材料為普通水泥砂漿單液，現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)的施工參數(shù)如表2所示。

表2 雙層注漿小導(dǎo)管施工參數(shù)Tab.2 Construction parameters of double-layer grouting pipes

3 隧道穿越軟弱破碎圍巖變形綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)

隧道施工過程中，監(jiān)控量測(cè)已經(jīng)成為一個(gè)必不可少的措施環(huán)節(jié)，也是保證隧道安全高效施工的關(guān)鍵措施之一?；趯?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠及時(shí)調(diào)整隧道施工方案和施工參數(shù)，并能為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)提供前期的預(yù)警。隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)是監(jiān)控量測(cè)的一個(gè)必測(cè)項(xiàng)目之一，也是最重要和最常見的監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一[17-18]。

F139軟弱斷層破碎帶自穩(wěn)性差，巖體破碎，盡管施工過程采用了上述超前加固支護(hù)措施，圍巖的力學(xué)特性得到很大的改善，但是由于巖土工程體的賦存條件復(fù)雜，存在很多的不確定性和不可控制性，故在施工過程中依然需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖體的位移變化規(guī)律，根據(jù)圍巖變形特點(diǎn)的反饋信息為現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)提供參考，以保證隧道施工作業(yè)安全。隧道施工過程中提出綜合采用基于全站儀+反光片監(jiān)測(cè)和基于三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)兩種方法開展對(duì)圍巖變形特性研究。

3.1 基于全站儀的監(jiān)控量測(cè)

3.1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工采用的開挖方法以及《公路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DB13/T2177—2015)，在隧道通過F139軟弱斷層破碎帶施工過程中，沿著隧道軸線布置了10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(50個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，從第1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面YK20+500開始，按照每隔10 m的斷面距離依次增加，一直到斷面YK20+590，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)1條沉降測(cè)線和2條收斂測(cè)線(H1和H2)，詳細(xì)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 6 Layout of measuring points on monitoring section

3.1.2 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

隧道施工期間采用徠卡TCRA1201全站儀+反光片開展圍巖的變形實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)作業(yè)。由于篇幅有限，只列舉了5個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面(YK20+500，YK20+520，YK20+540，YK20+560和YK20+580)40 d以來的圍巖體變形規(guī)律，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。從圖中可知，5個(gè)量測(cè)斷面的累計(jì)拱頂沉降表現(xiàn)出起初急劇增加，然后短暫的穩(wěn)定，緊接著小幅度的增加，最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，YK20+500，YK20+520，YK20+540，YK20+560和YK20+580斷面最終的沉降值分別為27.6, 30.6,33.6,36.1，39.1 mm。累計(jì)周邊收斂也大部分表現(xiàn)類似的規(guī)律，其中，5個(gè)斷面中測(cè)線H1的累計(jì)周邊收斂最大值為37.5 mm，測(cè)線H2的累計(jì)周邊收斂最大值為34.3 mm，參考監(jiān)控量測(cè)規(guī)范可知，上述變形值滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖7 基于全站儀的圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monitoring result of surrounding rock deformation based on total station apparatus

3.2 基于三維激光掃描的監(jiān)控量測(cè)

3.2.1 三維激光掃描變形監(jiān)測(cè)概述

基于全站儀+反光片方式僅僅能得到隧道斷面輪廓部分點(diǎn)的圍巖變形規(guī)律，而采用三維激光掃描方法能夠一次獲得整個(gè)隧道斷面輪廓的變形特性。利用該方法測(cè)量施工過程中，圍巖變形的測(cè)量原理為：隧道施作初支混凝土之后，立即采用三維激光掃描儀對(duì)該斷面輪廓進(jìn)行第1次掃描，將獲得的實(shí)測(cè)斷面輪廓與設(shè)計(jì)資料提供的斷面進(jìn)行對(duì)比分析。待初期支護(hù)變形穩(wěn)定之后(大概15～20 d)，對(duì)該里程內(nèi)同一個(gè)斷面輪廓進(jìn)行第2次三維激光掃描，將第2次測(cè)量得到的斷面輪廓數(shù)據(jù)與第1次得到的輪廓進(jìn)行套合對(duì)比，兩者的差值即是該施工時(shí)間內(nèi)圍巖的累計(jì)變形量。相比傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法，基于三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量方式能夠獲得更多的空間信息，測(cè)量精度較高，測(cè)量范圍也較大[19-20]。

3.2.2 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果分析

隧道施工過程中，采用Trimble SX 10型三維激光掃描儀開展圍巖變形監(jiān)測(cè)研究，考慮到篇幅有限以及表述的方便，僅僅分析了YK20+540斷面在開挖15 d之后上臺(tái)階輪廓的變形特性。對(duì)YK20+540斷面先后進(jìn)行了2次三維激光掃描，如圖8所示，其中非閉合輪廓線代表設(shè)計(jì)的初支斷面，閉合輪廓線代表掃描得到的初支斷面，2次掃描獲得的斷面輪廓數(shù)據(jù)的差值即為凈空累計(jì)變形?；谏鲜鰭呙栎喞獢?shù)據(jù)，圖9直觀地顯示了YK20+540斷面在開挖15 d之后上臺(tái)階輪廓的變形規(guī)律，從圖中可得出，上臺(tái)階開挖15 d之后，從左邊墻到右邊墻，圍巖的累計(jì)變形大體上表現(xiàn)出先增大，然后再減少的漸進(jìn)變化規(guī)律。在拱頂位置附近呈現(xiàn)出最大的變形，最大累計(jì)變形達(dá)到了0.021～0.023 m，這與全站儀測(cè)量的結(jié)果(15 d的拱頂沉降為25.4 mm)較為吻合，而在左邊墻和右邊墻附近的變形最小，最小變形為4 mm。

圖8 基于三維激光掃描技術(shù)的斷面YK20+540位置處初支位移(單位：m)Fig.8 Deformation of initial support at section YK20+540 based on 3D laser scanning technology (unit: m)

圖9 斷面YK20+540上臺(tái)階輪廓的變形規(guī)律Fig.9 Deformation rule of stair profile on section YK20+540

基于上述兩種監(jiān)控量測(cè)方法的研究結(jié)果，隧道施工開挖施工通過F139軟弱斷層破碎帶時(shí)，圍巖變形均在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，沒有出現(xiàn)較大局部變形和塌方，一方面驗(yàn)證了提出的綜合施工措施的有效性和合理性;另一方面，也說明了基于三維激光掃描技術(shù)的圍巖變形監(jiān)測(cè)是可靠的和實(shí)用的。

4 結(jié)論

依托北京某高速公路隧道穿F139軟弱破碎圍巖地段工程，分析了施工現(xiàn)場(chǎng)面臨的重難點(diǎn)問題，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段研究了一種隧道通過軟弱破碎圍巖的綜合施工技術(shù)，并建立了一套基于全站儀和三維激光掃描儀等先進(jìn)技術(shù)手段的隧道圍巖變形綜合監(jiān)控量測(cè)體系，以指導(dǎo)和動(dòng)態(tài)調(diào)整軟弱破碎帶隧道施工方案和支護(hù)參數(shù)，得出以下結(jié)論：

(1) 實(shí)施了基于隧道地震預(yù)報(bào)、探地雷達(dá)、超前地質(zhì)鉆探及孔內(nèi)成像的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作業(yè)，準(zhǔn)確預(yù)判了F139軟弱斷層破碎區(qū)的核心影響范圍以及裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)育和富水狀況，降低施工過程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 提出了采用短進(jìn)尺3臺(tái)階7步法開挖、地表超前預(yù)注漿以及雙層小導(dǎo)管超前注漿加固的隧道通過軟弱破碎地段綜合施工技術(shù)，以確保隧道安全通過軟弱破碎區(qū)段。

(3) 建立了基于全站儀+反光片和三維激光掃描儀等先進(jìn)技術(shù)手段的監(jiān)控量測(cè)體系，變形規(guī)律表現(xiàn)為拱頂沉降和周邊收斂均呈現(xiàn)出先急劇增長，再保持基本穩(wěn)定，然后緩慢增加，最后趨于穩(wěn)定。最大的沉降位移為39.1 mm，最大的收斂位移為37.5 mm，均滿足允許的變形規(guī)范。

(4) 開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、綜合施工開挖加固技術(shù)和綜合監(jiān)測(cè)體系等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究，保證了公路隧道順利安全地通過了F139軟弱破碎圍巖區(qū)段。