地質(zhì)雷達(dá)探測法在富水軟巖隧道施工中的應(yīng)用

楊 宇，趙利杰

（中國有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450006）

某隧道是寧蒗至永勝高速公路中一座控制性隧道工程，左線起訖樁號為ZK86+115～ZK90+251，長4136m，最大埋深408.8m；右線起訖樁號為K86+147～K90+286，長4139m，隧道最大埋深：右幅391.5m。根據(jù)行業(yè)規(guī)定和實(shí)際情況的要求，在隧道開挖過中需提前采取地質(zhì)雷達(dá)探測法對前方地質(zhì)水文情況進(jìn)行詳細(xì)探測，以指導(dǎo)隧道的開挖支護(hù)工作。

1 工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)位于區(qū)域F7（二道坪斷裂）及F5斷裂之間。F7（二道坪斷裂）：斷裂走向南北，傾向西，傾角30°～70°，長約25公里。南西盤逆沖，出露地層為上二疊統(tǒng)玄武巖組中段（P2β2）、下三疊統(tǒng)臘美組（T1l）泥巖、砂巖及中三疊統(tǒng)北衙組下段（T2b1）灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，下盤出露地層為下二疊統(tǒng)棲霞茅口組（P1q+m）灰?guī)r、上二疊統(tǒng)玄武巖組中段（P2β2）角礫狀玄武巖、玄武巖，該斷裂屬壓性斷裂。F5斷裂：該斷裂走向340°，傾向西，上盤逆沖，上三疊統(tǒng)新安村組上段（T3x2）覆蓋于下第三系，寧蒗組一段（E2n1）之上，兩側(cè)巖石破碎，砂頁巖被揉碎、牽拽，沿斷裂局部有二長斑巖脈（ηπ61）分布，屬圧扭性斷裂。結(jié)合EH4物探資料解譯成果及以往地質(zhì)資料綜合解析出三個低阻異常帶，分別為:異常1（K89+460～K89+970）、異常2（K87+300～K87+800）、異常3（K86+650 ～ K88+900），巖破碎，為軟弱帶，易形成儲水構(gòu)造，隧道圍巖級別低。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測依據(jù)、內(nèi)容

2.1 探測依據(jù)

①《公路隧道設(shè)計規(guī)范》JTG 3370.1-2018。②《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》JTG/T F60-2009。③《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》Q/CR 9217-2015。④《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218-2014）。⑤《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20-2011）。⑥《公路隧道設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70-2010）。⑦隧道兩階段施工圖設(shè)計及相關(guān)規(guī)范文件等。

2.2 探測內(nèi)容

（1）探測掌子面正前方隧道主體及臨近周邊地質(zhì)情況、詳細(xì)分布的變化情況及地質(zhì)災(zāi)害體的性質(zhì)、分布。

（2）超前地質(zhì)預(yù)報范圍段的圍巖級別判定。

3 ZK87+360～+385段超前地質(zhì)預(yù)報

前期物探資料顯示本段處于低阻異常帶3區(qū)段，巖破碎，為軟弱帶，易形成儲水構(gòu)造，隧道圍巖級別低。根據(jù)進(jìn)度要求、行業(yè)規(guī)定以及實(shí)際需要，本段處于低阻異常帶3的情況，在隧道開挖過中需提前采取地質(zhì)雷達(dá)探測法對前方地質(zhì)水文情況進(jìn)行詳細(xì)探測，以指導(dǎo)隧道的開挖支護(hù)工作。

3.1 探測方法

地質(zhì)探測預(yù)報選用SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)、100MHz地質(zhì)羅盤，100MHz天線，根據(jù)現(xiàn)場條件，布設(shè)AB、CD兩條測線，采用連續(xù)方式探測，得到兩條雷達(dá)反射剖面。采集參數(shù)為：采集方式為連續(xù)，每掃描采樣數(shù)為1024，采集時窗為500ns。采集方向如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集方向示意圖

3.2 探測結(jié)果分析

3.2.1 隧道掌子面地質(zhì)情況

掌子面圍巖為淺灰色、灰黑色中薄層狀泥巖，為軟巖，巖體弱風(fēng)化，巖層產(chǎn)狀：286°∠42°；掌子面右側(cè)拱腳處地下水呈小股狀出水；巖體遇水易軟化、泥化；圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育、巖體破碎，裂隙面間有黑色泥質(zhì)物填充，掌子面有少量掉塊現(xiàn)象，層間結(jié)合力較差；總體上圍巖完整性和自穩(wěn)能力差；巖體呈裂隙塊狀、局部碎裂狀結(jié)構(gòu)。

主要發(fā)育3組節(jié)理：J1:88°∠55°：4-5條/m，延伸2m～3m，節(jié)理面平直，微張；J2:215°∠60°：5-6條/m，延伸3m～4m，節(jié)理面平直，微張；J3:315°∠12°：5-6條/m，延伸3m～4m，節(jié)理面平直，微張；

根據(jù)交通運(yùn)輸行業(yè)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70-2010）中6.3條款關(guān)于圍巖分級規(guī)定，初步判定掌子面地質(zhì)情況基本符合Ⅴ2級圍巖條件。掌子面地質(zhì)素描示意圖見圖2。

圖2 K87+360掌子面地質(zhì)素描圖

3.2.2 探測結(jié)果

對現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)，通過雷達(dá)處理分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理，繪制出雷達(dá)探測深度剖面圖。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測剖面圖像，從電磁波的反射振幅變化來看，掌子面前方0m～25m（ZK87+360～+385）段整體電磁波振幅變化較大，同相軸連續(xù)性較差，反射頻率變化較強(qiáng)，根據(jù)設(shè)計資料及現(xiàn)場出露地質(zhì)情況并結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)反射波，推測該段圍巖與掌子面基本一致，為泥巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎，層間夾泥，富水。

3.2.3 結(jié)論評價

綜合掌子面地質(zhì)情況和地質(zhì)雷達(dá)探測分析結(jié)果，得到如下結(jié)論：

（1）推測掌子面前方0m～25m（ZK87+360～+385）段圍巖與掌子面基本一致，為泥巖，巖體弱風(fēng)化，屬軟巖，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育、巖體破碎、層間夾泥，裂隙面有明顯泥質(zhì)物填充，開挖時掌子面會有大的掉塊、右側(cè)易出現(xiàn)小的坍塌，層間結(jié)合力差；總體上圍巖完整性和自穩(wěn)能力差；巖體呈裂隙塊狀、局部呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，局部富水。

（2）ZK87+360～+385段，設(shè)計圍巖級別為Ⅴ2級，預(yù)報ZK87+360～+385段圍巖級別為Ⅴ2級。

4 ZK87+360～+385段隧道施工應(yīng)對措施

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測分析結(jié)論“本段巖級別為Ⅴ2級，總體上圍巖完整性和自穩(wěn)能力差；巖體呈裂隙塊狀、局部呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，局部富水?！钡膶?shí)際情況，本著特殊地質(zhì)地段隧道施工以“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”為指導(dǎo)原則，指導(dǎo)隧道安全施工，避免發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，本段采取以下具體措施保障隧道施工安全生產(chǎn)。

4.1 超前水平鉆孔

超前水平鉆孔是預(yù)測開挖工作面前一定長度范圍內(nèi)圍巖的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，對地勘報告和地質(zhì)雷達(dá)探測情況進(jìn)行再次驗(yàn)證，并根據(jù)鉆渣、鉆孔過程中遇到的實(shí)際情況（有無卡鉆、鉆進(jìn)速度）等及時采取應(yīng)對措施，確保斷層破碎帶施工安全。鉆孔過程目測觀測直觀明了，能夠有效驗(yàn)證超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果是否準(zhǔn)確，同時能夠直接探明含水地段圍巖地段的涌水壓力及其含水量。由于隧道水文地質(zhì)情況比較復(fù)雜，超前水平鉆孔作為隧道開挖施工的一項(xiàng)重要工序，全程作為隧道開挖施工循環(huán)網(wǎng)絡(luò)中一道規(guī)定動作進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。超前水平鉆孔按隧道全長進(jìn)行探測，具體實(shí)施時，按照在隧道拱頂、大跨距開挖輪廓線1.5m處，布置三個孔，利用潛孔鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，孔深25m～30m，孔徑108mm，鉆進(jìn)方向沿隧道輪廓傾斜。必要時進(jìn)行掌子面前方主體巖體進(jìn)行鉆孔取芯分析判別，鉆進(jìn)過程中將鉆孔的詳細(xì)巖體、水文等情況記錄在超前鉆孔原始記錄表。根據(jù)超前水平鉆孔原始記錄綜合分析，其作用有三，一是探測前方有無水隱患，水的賦存狀態(tài)、分布專范圍、水質(zhì)等；二是前方地層，巖性及其變化、厚度等；其三是跟蹤層位，為隧道施工提供有效依據(jù)等。

4.2 周邊小導(dǎo)管注漿施工

根據(jù)隧道施工專項(xiàng)方案、地勘報告、地質(zhì)探測預(yù)報，洞壁圍巖出水形式等，制定施工階段具有快速決策性的處治原則，對滲滴水、線狀滲水和高壓集中突水針對性的分別采取超前周邊注漿、徑向注漿、定點(diǎn)注漿等不同方式或復(fù)合形式進(jìn)行注漿處理。本段綜合設(shè)計圖紙、地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果及掌子面現(xiàn)狀的情況選用超前周邊小導(dǎo)管注漿。

圖3 超前小導(dǎo)管支護(hù)布置圖

4.2.1 鉆孔

小導(dǎo)管孔位定位和標(biāo)注后，鉆孔的方向垂直于開挖掌子面，鉆進(jìn)角度符合小導(dǎo)管外插角的設(shè)計角度。采用制式鑿巖臺車鉆進(jìn)成孔。鉆進(jìn)過程中必須時刻避免鉆桿擺動，保證孔位順直。鉆進(jìn)設(shè)計成孔深度后，用高壓吹管將孔內(nèi)碎碴吹出。

4.2.2 頂管

鉆孔內(nèi)安裝鋼花管前，在鋼花管末端約30cm處，將麻絲纏繞在鋼花管管壁上呈錐型狀，并用膠帶或繩類物品纏緊。開動鉆機(jī)，利用鉆機(jī)的沖擊力將鋼花管頂推入圍巖中，鋼管頂進(jìn)長度不小于設(shè)計管長90%。

4.2.3 固定

頂管至設(shè)計孔深后，將孔口用塑料膠泥將鋼花管與孔壁之間的縫隙封堵。孔口露出噴射混凝土面15cm，安裝鋼拱架后與拱架焊接在一起。

4.2.4 壓水

注漿管道連接完成后，進(jìn)行常規(guī)壓水試驗(yàn)并調(diào)試，檢查注漿管道及工作面是否有滲漏現(xiàn)象。

4.2.5 小導(dǎo)管注漿

（1）注漿設(shè)備選擇：超前小導(dǎo)管注漿采用TGBHG90/90型注漿泵。

（2）漿液的選擇：注漿漿液采用水泥漿液，水灰比1:1（重量比），施工前由試驗(yàn)室試配并驗(yàn)證，使用強(qiáng)度指標(biāo)不低于42.5強(qiáng)度的水泥。

（3）注漿量：為了達(dá)到并良好的固結(jié)封閉效果，足夠漿液量的注入是重要保證，為確保注漿擴(kuò)散到一定的有效范圍。注漿有效范圍按隧道開挖輪廓線外0.3～0.5m設(shè)計并且漿液在隧道巖層中均勻擴(kuò)散。注漿壓力與隧道巖層裂隙的關(guān)系見圖4。

圖4 注漿壓力與巖層裂隙的關(guān)系圖

漿液單孔注入量Q和圍巖的孔隙率有關(guān)，根據(jù)擴(kuò)散半徑及巖層的裂隙進(jìn)行估算，其值為：

Q=ΠR2ηL(m3)

式中：R—漿液擴(kuò)散半徑(m)；L—壓漿段長度(m)；η—巖層孔隙率，風(fēng)化巖層取2%～3%，斷層破碎帶5%。

（4）注漿壓力：注漿壓力為0.5Mpa～1.0Mpa，施工現(xiàn)場試驗(yàn)確定較合理的注漿參數(shù)。

4.3 鉆爆開挖施工

隧道施工采用三臺階七步法開挖的方法，隧道鉆爆開挖按新奧法原理組織施工，施工原則為“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則。

隧道實(shí)施開挖以減輕對圍巖的振動為原則，充分發(fā)揮隧道主體外圍的圍巖自承能力。采用線形微震爆破新技術(shù)和光面爆破技術(shù)進(jìn)行爆破作業(yè)，根據(jù)施工過程中圍巖詳細(xì)情況，及時調(diào)整修正爆破參數(shù)，以達(dá)到最佳爆破效果，形成整齊順直的開挖斷面輪廓線。

4.3.1 測量

測量定位是控制鉆爆開挖輪廓準(zhǔn)確與否至關(guān)重的的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。每一爆破開挖循環(huán)都由測量技術(shù)人員在掌子面測量標(biāo)注出開挖輪廓和炮孔位置，并在掌子面拱頂及兩側(cè)起拱線處設(shè)置三臺激光指向儀，以減少測量時間及保證隧道開挖輪廓線準(zhǔn)確度。

4.3.2 鉆孔

爆破孔位鉆孔用風(fēng)槍，并按以下要求鉆孔。

（1）按照爆破設(shè)計炮眼布置圖正確對孔和鉆進(jìn)。

（2）掏槽眼比其它眼深20cm，對孔誤差不大于3cm，并保持平行。

（3）周邊眼位置在設(shè)計斷面輪廓線上，其環(huán)向誤差不大于5cm，眼底不超出開挖面輪廓線10cm，孔深誤差小于10cm。

（4）鉆眼完畢，按爆破設(shè)計炮眼布置圖進(jìn)行檢查，有不符合要求的炮眼重新鉆孔，經(jīng)檢查合格后進(jìn)行裝藥。

4.3.3 裝藥

裝藥前必須先用高壓風(fēng)槍將爆破孔內(nèi)巖石粉碴吹凈，并用木質(zhì)炮棍檢查爆破孔內(nèi)是否有雜物影響裝炸藥，裝藥分片分組，嚴(yán)格按爆破設(shè)計參數(shù)表及爆破設(shè)計炮孔布置圖規(guī)定的單孔裝藥量。爆破網(wǎng)路連接、檢查及起爆，按照爆破設(shè)計要求執(zhí)行。

4.3.4 堵塞

炮孔進(jìn)口堵塞即可以有效提高炸藥能量利用率，也可以減少炸藥使用量和降低爆破振動有害效應(yīng)。炸藥裝填后將炮孔進(jìn)口進(jìn)行堵塞，光面爆破孔孔口堵塞長度不小于20cm，掏槽孔不裝藥部分全堵滿，其余掘進(jìn)孔堵塞長度大于抵抗線的80%。裝藥和堵塞工作按交通行業(yè)和爆破行業(yè)相關(guān)關(guān)安全規(guī)定執(zhí)行，以確保爆破施工安全。

4.3.5 聯(lián)結(jié)起爆網(wǎng)路

為了保證起爆準(zhǔn)確可靠，采用塑料導(dǎo)爆管傳爆雷管復(fù)式網(wǎng)路。爆破網(wǎng)路聯(lián)好后必須由持證專人檢查驗(yàn)收，檢查結(jié)果合格后才可以實(shí)施起爆。

5 注意事項(xiàng)

（1）采用有效注漿方案，將大部分地下水盡可能封堵在圍巖外，少量水通過隧道排水設(shè)施排放，避免隧道洞內(nèi)出現(xiàn)大量水而影響施工進(jìn)展。

（2）隧道開挖時盡可能采用機(jī)械開挖，不宜采用爆破開挖，若必須采用爆破開挖時，堅持多打眼、少裝藥的弱爆破施工技術(shù)的原則，減小對隧道外圍巖體的擾動。

（3）小導(dǎo)管鉆孔前，按測定好鉆孔的范圍、平面位置。鉆孔由高孔位向低孔位進(jìn)行。開鉆時應(yīng)低速低壓。下管時按照編號分段施工。

（4）施工期間必須遵守交通行業(yè)和爆破行業(yè)相關(guān)關(guān)安全規(guī)定執(zhí)行，加強(qiáng)監(jiān)控量測，確保施工安全。

（5）地表量測與洞內(nèi)各項(xiàng)量測應(yīng)同步進(jìn)行，以利于資料的分析。

6 結(jié)語

不同地質(zhì)條件、水壓和涌水量等實(shí)際情況，可以采取徑向注漿、周邊帷幕注漿、全斷面帷幕注漿、超前管棚注漿等多種注漿堵水處理措施。實(shí)踐證明，本段在采用地質(zhì)雷達(dá)探測的基礎(chǔ)上，綜合利用水平超前鉆孔、周邊小導(dǎo)管注漿施工及弱爆破等注漿堵水技術(shù)、參數(shù)和開挖方法解決軟巖隧道施工的防涌水與防塌方技術(shù)難題，同時初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工也加強(qiáng)了洞體巖土結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的效果，有效確保隧道施工安全。