摘要 文章以某Ⅵ級(jí)圍巖復(fù)雜地質(zhì)隧道開挖為例，充分考量組合式地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與智能監(jiān)控量測數(shù)據(jù)以指導(dǎo)開挖工藝的優(yōu)化，攻克了復(fù)雜地質(zhì)隧道施工中掌子面突涌水、溜塌、掉塊等難題，大幅度降低了不良地質(zhì)施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)類似地下工程施工具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞 組合地質(zhì)預(yù)報(bào)；三維立體建模；組合超前支護(hù)；智能監(jiān)控量測

中圖分類號(hào) U453 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）20-0131-03

0 引言

采取組合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，通過物探與鉆探的組合，可使得對(duì)不良地質(zhì)的判識(shí)更加精確。通過建立地下水分布與工程實(shí)體的三維模型，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)靶向泄水，大幅度降低掌子面突涌風(fēng)險(xiǎn)。采用大管棚+小導(dǎo)管+超前周邊注漿組合超前支護(hù)技術(shù)，能夠顯著增強(qiáng)掌子面圍巖的穩(wěn)定性，確保圍巖掉塊風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制。通過智能監(jiān)控量測技術(shù)，為預(yù)留變形量的動(dòng)態(tài)調(diào)整提供了高質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使預(yù)留變形量控制更具科學(xué)性。

1 工程概況

某單洞雙線隧洞，共計(jì)280 m處于Ⅵ級(jí)圍巖段，且洞身需通過多個(gè)區(qū)域性深大斷裂帶。地表水匯水區(qū)域廣，與深大斷裂帶的連通性好，地下水涌水量變化大。圍巖多為全風(fēng)化、破碎至極破碎強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，以及松散的含砂堆積體，大孤石含量大，局部蝕變帶發(fā)育。受圍巖完整性及地下水雙重因素影響，掌子面掉塊、坍塌、突涌等不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)極高。

2 Ⅵ級(jí)圍巖隧道安全優(yōu)質(zhì)施工技術(shù)

2.1 施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）采用物探與鉆探相結(jié)合的方式，提高對(duì)不良地質(zhì)判識(shí)的精確度。

（2）建立地下水三維模型，加強(qiáng)地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性的研判，提高對(duì)富水區(qū)靶向泄水的指導(dǎo)作用。

（3）超前支護(hù)加強(qiáng)措施：采取上臺(tái)階超前周邊注漿，輪廓線外5 m范圍內(nèi)加強(qiáng)；拱頂144°范圍采用Φ108超前大管棚，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距6 m，單根長9 m；大管棚間增設(shè)Φ42超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4m，縱向間距2.4 m；注漿采用水泥漿，水灰比1：1，注漿壓力為0.5～3 MPa[1]。

（4）初支加強(qiáng)措施：徑向Φ25脹殼式錨桿改良為Φ42注漿錨管，單根長4.5 m。鋼架鎖腳由Φ42錨管改良為Φ60錨管，上臺(tái)階每處鎖腳設(shè)置2根，單根長4 m；中、下臺(tái)階每處鎖腳設(shè)置3根，單根長6 m。對(duì)鋼架垂直度、間距、拱腳支墊等進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（5）短進(jìn)尺小步距三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖：依據(jù)開挖輪廓線采用挖掘機(jī)對(duì)掌子面進(jìn)行初步開挖，根據(jù)圍巖破碎及風(fēng)化程度預(yù)留10～20 cm，以采用人工手持風(fēng)鎬進(jìn)行修整。上臺(tái)階長度為5 m，循環(huán)進(jìn)尺控制在0.6 m以內(nèi)。初支成環(huán)距掌子面35 m以內(nèi)，二次襯砌距掌子面120 m以內(nèi)。

（6）隧道拱頂沉降與收斂觀測采用三維安全監(jiān)測儀、陣列激光斷面監(jiān)測儀進(jìn)行高頻次、自動(dòng)化監(jiān)測，以智能化判別圍巖變形情況。

2.2 Ⅵ級(jí)圍巖隧道開挖施工技術(shù)

2.2.1 組合地質(zhì)預(yù)報(bào)施作

針對(duì)不同地層選取科學(xué)合理的預(yù)報(bào)方法，一般地段采用TSP法進(jìn)行物探，對(duì)異常區(qū)段進(jìn)行1孔超前地質(zhì)鉆探靶向鉆進(jìn)，進(jìn)行驗(yàn)證判別。斷層、褶皺、破碎帶、侵入巖蝕變帶等采用TSP法和地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行物探，配合2孔超前地質(zhì)鉆探對(duì)其產(chǎn)狀進(jìn)行確認(rèn)，其中1孔進(jìn)行取芯鉆探。富水構(gòu)造、富水段落等采用TSP法和瞬變電磁進(jìn)行物探，配合5孔超前地質(zhì)鉆探，鉆孔設(shè)置關(guān)水閥門，其中3孔定位、1孔測壓、1孔取芯。針對(duì)Ⅵ級(jí)圍巖，在上述基礎(chǔ)上增加每循環(huán)掌子面素描，判識(shí)節(jié)理分布對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，按照縱向間距2.4 m實(shí)施5孔加深炮孔，孔位沿拱頂環(huán)向間距1m分布[2]。

2.2.2 地下水分布三維地質(zhì)建模與靶向泄水施作

（1）采用DKTEM-20型設(shè)備進(jìn)行瞬變電磁探水，激發(fā)線圈為3匝、1 m邊長的正方形線框，接收線圈等效面積為20 m2；供電電流為100 A，發(fā)射頻率為12.5 Hz，疊加次數(shù)為15次。分6個(gè)方向采集原始數(shù)據(jù)：掌子面水平斜向上60°方向、掌子面水平斜向上30°方向、掌子面水平方向、掌子面水平斜向下30°方向、掌子面水平斜向下60°方向及掌子面中央垂向方向。原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)行異常值剔除及濾波分析，保證單個(gè)測點(diǎn)的兩次觀測曲線的形態(tài)和幅值一致，各觀測道允許的均方相對(duì)誤差不大于±10%，工點(diǎn)質(zhì)量檢查允許的均方相對(duì)誤差不大于±15%[3]。

（2）對(duì)瞬變電磁探水原始數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值處理，采用Voxler4地質(zhì)三維軟件進(jìn)行地下水分布模擬，以輔助計(jì)算獲取地下水分布的三維數(shù)據(jù)。

（3）將地下水分布三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成基于2000坐標(biāo)系的三維數(shù)據(jù)，通過Bentley圖形平臺(tái)MicroStation構(gòu)建工程實(shí)體及地下水分布三維模型，如圖1所示。在充分分析地下水與工程實(shí)體絕對(duì)位置關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行靶向泄水施工設(shè)計(jì)，以獲取鉆孔深度、角度等施工參數(shù)。

（4）采用C6鉆機(jī)進(jìn)行泄水孔施工，鉆進(jìn)時(shí)采取全孔跟管或自進(jìn)式造孔，孔口直徑大于60 mm。采用鋼花管埋管引水，管內(nèi)填充過濾材料并設(shè)置孔口閥，外接排水盲管以有序引排地下水。

2.2.3 組合超前支護(hù)施作

（1）超前周邊注漿施作：首次施工前應(yīng)在掌子面施工止?jié){墻，注漿孔深度按照30 m控制。后續(xù)每開挖25 m，施工一次長度為30 m的超前周邊注漿，以保證前后兩次的搭接長度不小于5 m。注漿孔布設(shè)時(shí)應(yīng)按照單孔擴(kuò)散半徑1.5 m考慮，環(huán)數(shù)的布置以確保上臺(tái)階開挖輪廓線外5 m范圍內(nèi)的圍巖得以加固為準(zhǔn)。為保證注漿效果，鉆孔注漿時(shí)應(yīng)由外向內(nèi)進(jìn)行施工，同一環(huán)采取跳孔施工以避免注漿串孔。如遇到成孔困難的破碎地層，則采取前進(jìn)式注漿工藝，反之采用后退式注漿以加快施工進(jìn)度；注漿材料主要為水泥漿液，封孔時(shí)采用水泥水玻璃雙液漿。水泥采用32.5號(hào)的普通硅酸鹽水泥，水玻璃波美度Be'=40，水泥漿液水灰比=1∶1，水泥：水玻璃液漿=1∶0.8。

（2）超前周邊注漿參數(shù)：單孔擴(kuò)散半徑1.5 m，終孔間距2.0 m，鉆孔孔徑為Φ108。注漿前進(jìn)行靜水壓力測試，確保注漿壓力大于靜水壓力，且注漿泵量程達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力的1.5倍。

（3）當(dāng)單孔注漿滿足如下要求時(shí)停止注漿：孔壓達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并維持不小于10 min；注漿量大于理論值的五分之四，進(jìn)漿速度小于初值的四分之一；檢查孔涌水量小于0.2 L/（m·min）。

（4）超前大管棚施工：在拱部120°范圍內(nèi)施作單層Φ108超前大管棚，管棚長9 m，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距6 m，外插角控制在10°。對(duì)管棚進(jìn)行注漿作業(yè)，注漿材料采用水泥漿液，水灰比按照1∶1控制。注漿壓力初壓為0.5 MPa，終壓為2.0 MPa。單孔注漿量采用體積法計(jì)算，漿液填充系數(shù)控制在0.7～0.9，注漿材料損耗系數(shù)取0.1，填充率則根據(jù)具體地層選取。

（5）超前小導(dǎo)管施工：大管棚之間施作Φ42超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距1.8 m，單根長4.5 m，外插角控制在10°～15°。局部極破碎圍巖，應(yīng)減小環(huán)向間距或雙層加密設(shè)置小導(dǎo)管。小導(dǎo)管注漿采用水泥漿液，終壓控制在1 MPa左右。注漿前應(yīng)由下至上沖洗管內(nèi)沉積物，應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，以檢查設(shè)備是否正常、管路連接是否正確。采用分漿器進(jìn)行群管注漿，以加快注漿速度。當(dāng)單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求值，并穩(wěn)定10～15 min后方可結(jié)束。

2.2.4 短進(jìn)尺小步距三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖

超前支護(hù)措施施作完成后，采用短進(jìn)尺小步距三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖掌子面。初支整環(huán)設(shè)置I22b型鋼鋼架，配合早高強(qiáng)噴射混凝土與Φ42系統(tǒng)錨管。鋼架間距控制應(yīng)在0.6 m以內(nèi)，每臺(tái)階處左右兩側(cè)均搭設(shè)一組鎖腳錨管，傾角分別按照20°、40°進(jìn)行控制。

（1）洞身開挖：采用挖掘機(jī)、松土器等為主要施工機(jī)械，開挖上臺(tái)階弧形導(dǎo)坑，根據(jù)圍巖破碎及風(fēng)化程度預(yù)留10～20 cm，以采用人工手持風(fēng)鎬進(jìn)行修整，采用新能源裝載機(jī)及自卸汽車相互配合實(shí)施出渣。預(yù)留5 m核心土，以增強(qiáng)開挖工作面的穩(wěn)定性。開挖循環(huán)進(jìn)尺0.6 m，中下臺(tái)階左、右側(cè)開挖高度為2.9 m，循環(huán)進(jìn)尺0.6 m，左、右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開3 m。上臺(tái)階長度控制在5 m，中下臺(tái)階長度控制在8m以內(nèi)。初支成環(huán)距掌子面控制在35 m以內(nèi)。開挖后應(yīng)保持各臺(tái)階的有序緊跟，保證仰拱循環(huán)的開挖長度控制在1.2 m以內(nèi)。每循環(huán)上臺(tái)階開挖完成后，均使用早高強(qiáng)噴射混凝土對(duì)掌子面及核心土進(jìn)行初噴加固，初噴厚度為4 cm[4]。

（2）鎖腳加固：掌子面初噴加固后應(yīng)及時(shí)施作初期支護(hù)，鋼架鎖腳均采用Φ60錨管，上臺(tái)階每處鎖腳設(shè)置2根，單根長4 m，中、下臺(tái)階每處鎖腳設(shè)置3根，單根長6 m，采用I22b型鋼鋼架及時(shí)施作初支并封閉成環(huán)。

2.2.5 智能監(jiān)控量測施作

智能監(jiān)控量測系統(tǒng)主要由隧道三維安全監(jiān)測系統(tǒng)和陣列激光變形監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成，配合綜合管控?cái)?shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維展示、實(shí)時(shí)分析和動(dòng)態(tài)預(yù)警，從而實(shí)時(shí)掌握圍巖動(dòng)態(tài)，使圍巖狀態(tài)實(shí)時(shí)化、可視化，對(duì)圍巖穩(wěn)定性第一時(shí)間作出準(zhǔn)確、快速的評(píng)價(jià)，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，確保隧道施工的安全與質(zhì)量[5]。

（1）三維監(jiān)測設(shè)備安裝：在隧道初期支護(hù)區(qū)側(cè)壁距離掌子面超過30 m外“之”字形安裝2～3臺(tái)三維安全監(jiān)測儀，安裝高度結(jié)合現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以不影響檢測數(shù)據(jù)收集為準(zhǔn)。在隧道二次襯砌區(qū)的掛布臺(tái)車上安裝系統(tǒng)控制儀。具體布設(shè)情況如下圖2所示。為適應(yīng)隧道內(nèi)復(fù)雜的施工環(huán)境，設(shè)備外殼結(jié)構(gòu)部分應(yīng)采用經(jīng)CNC加工的6061鋁合金，對(duì)其表面進(jìn)行陽極氧化處理，使其具備防塵、防水、防爆等高防護(hù)能力。

（2）陣列激光變形監(jiān)測設(shè)備安裝：陣列激光變形監(jiān)測成套設(shè)備包括陣列激光斷面掃描儀和邊緣控制主站。在隧道初支側(cè)面拱墻位置，縱向間隔5 m安裝斷面監(jiān)測儀，安裝高度結(jié)合現(xiàn)場實(shí)時(shí)調(diào)整，但各設(shè)備應(yīng)保持在同一水平線上。在二次襯砌區(qū)的掛布臺(tái)車上安裝邊緣控制主站。

（3）綜合管控?cái)?shù)字化平臺(tái)：基于三維監(jiān)測設(shè)備和陣列激光變形監(jiān)測設(shè)備采集處理后的數(shù)據(jù)，為隧道施工安全和隧道變形監(jiān)測等業(yè)務(wù)場景提供數(shù)據(jù)采集、分析計(jì)算、存儲(chǔ)與查詢、實(shí)時(shí)成像等功能，對(duì)圍巖穩(wěn)定情況給出直觀的三維展示，能夠高效指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3 施工質(zhì)量與安全控制要點(diǎn)

（1）瞬變電磁地下探水時(shí)，掌子面導(dǎo)電性高的工器具、施工設(shè)備、簡易臺(tái)車等全部撤至離掌子面6～10 m范圍的位置，避免對(duì)測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，以免對(duì)地下水的分布造成誤判。

（2）超前周邊注漿應(yīng)嚴(yán)格按照注漿方案進(jìn)行施工，對(duì)超前周邊的注漿效果進(jìn)行三方驗(yàn)證；注漿過程實(shí)施嚴(yán)格驗(yàn)收制度，應(yīng)對(duì)注漿過程中的壓力流量時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，確保壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓。終孔前的壓力時(shí)間曲線表現(xiàn)出明顯的上升趨勢，而流量時(shí)間曲線則表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。嚴(yán)格實(shí)施取芯驗(yàn)證，隨機(jī)抽樣實(shí)施的鉆孔取芯，不可在既有注漿孔中實(shí)施。按注漿總孔數(shù)的5%抽取檢查孔，檢查孔的取芯率及反算出的漿液填充系數(shù)均不小于五分之四。

（3）超前大管棚與超前小導(dǎo)管應(yīng)嚴(yán)格控制孔深與送管深度、縱向搭接與環(huán)向間距、上傾角度、注漿質(zhì)量。系統(tǒng)錨管采用Φ42注漿錨管，（0.8×0.8） m梅花形布置，單根長度為4.5 m，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制錨管數(shù)量、孔深與送管深度、注漿質(zhì)量。對(duì)于每環(huán)形的鋼拱架鎖腳，上臺(tái)階每處鎖腳應(yīng)設(shè)置2根Φ60錨管，單根長4 m；中、下臺(tái)階每處鎖腳設(shè)置3根Φ60錨管，單根長6 m。嚴(yán)格控制鎖腳組數(shù)、送管深度、下傾角度（20°、40°）、U形筋焊接與鎖腳的注漿質(zhì)量。

（4）短進(jìn)尺小步距三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，上臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)控制在0.6 m以內(nèi)，臺(tái)階長度控制在5 m以內(nèi)；中臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺控制在0.6 m以內(nèi)，左右不得對(duì)稱，前后錯(cuò)開1.8 m；仰拱循環(huán)進(jìn)尺控制在1.2 m以內(nèi)；初支成環(huán)距掌子面控制在35 m以內(nèi)，二次襯砌距掌子面的距離控制在120 m以內(nèi)。

（5）加強(qiáng)對(duì)涌水、涌砂征兆的監(jiān)測，當(dāng)預(yù)測有涌水、涌砂征兆時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步提高監(jiān)測頻率，同時(shí)組織相關(guān)人員、機(jī)械設(shè)備及時(shí)撤離。

（6）按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行圍巖監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，如監(jiān)測數(shù)據(jù)異常或地質(zhì)、水文情況發(fā)生變化應(yīng)及時(shí)上報(bào)相關(guān)單位以便處理。

（7）落實(shí)“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤測量、快循環(huán)、早封閉”的施工組織原則。初期支護(hù)應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)封閉成環(huán)，仰拱、二次襯砌應(yīng)緊跟掌子面的施工進(jìn)度，確保不突破初支成環(huán)距離掌子面35 m、二次襯砌距離掌子面120 m的安全底線。

（8）定期做好臨時(shí)安全用電排查，確?！耙粰C(jī)一閘一漏?！钡陌踩秒娫瓌t落實(shí)落地；加強(qiáng)高空作業(yè)、高臨邊坡、大型機(jī)械操作等事故多發(fā)處的安全防護(hù)措施，確保安全警示落實(shí)落細(xì)；采取洞內(nèi)不良地質(zhì)的應(yīng)急防控措施，定期對(duì)應(yīng)急逃生渠道、應(yīng)急救援物資及安全防護(hù)用品使用原則與方法進(jìn)行針對(duì)性培訓(xùn)與交底。

4 結(jié)語

該Ⅵ級(jí)圍巖隧道開挖，綜合采用上述施工措施，在施工過程中嚴(yán)格遵循工藝流程、審慎把控施工技術(shù)要點(diǎn)，有效控制了掌子面不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，工程實(shí)體獲得一次驗(yàn)收通過，不僅在工期上節(jié)約162 d，還創(chuàng)造了2 800萬元的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了Ⅵ級(jí)圍巖復(fù)雜地質(zhì)隧道施工的安全、優(yōu)質(zhì)、高效，其經(jīng)驗(yàn)及做法值得類似地下工程參考借鑒。

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收稿日期：2024-05-28

作者簡介：王志強(qiáng)（1982—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：復(fù)雜地質(zhì)下的隧道施工技術(shù)。