基于監(jiān)測與預(yù)報成果分析指導(dǎo)復(fù)雜地質(zhì)條件淺埋隧道施工

李鵬飛（成都暢達(dá)通檢測技術(shù)股份有限公司，四川 成都 611731）

1 工程概況

隧道位于新建貴陽—南寧鐵路貴州段，起始里程為 DK 76 + 055，終止里程為 DK 76 + 915，全長 860 m。隧道設(shè)計為雙線隧道，左右線間距為 4.200～5.083 m，隧高 13.6 m，埋設(shè)最高 30 m，埋深最淺 1 m，屬于典型的山嶺短淺埋隧道。隧道構(gòu)造發(fā)育為不良地質(zhì)發(fā)育，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。開挖過程中需要加強超前地質(zhì)預(yù)報和現(xiàn)場監(jiān)控量測，并根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報及監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示圍巖變化規(guī)律，加強監(jiān)測頻率，實時地、準(zhǔn)確地和快速地反映圍巖變化情況，確保隧道施工安全[1]。該隧道全程埋深較淺，圍巖完整性、穩(wěn)定性極差，掌子面易掉渣甚至變形坍塌和冒頂，嚴(yán)重影響施工。

為確保隧道圍巖開挖的穩(wěn)定性，完善優(yōu)化設(shè)計方案和指導(dǎo)現(xiàn)場施工，在隧道開挖過程中對典型的圍巖地質(zhì)條件實施超前地質(zhì)預(yù)報、拱部沉降、地表沉降和周邊收斂等現(xiàn)場圍巖情況進行監(jiān)測?；诂F(xiàn)場實測隧道拱頂、周邊收斂和地表監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，分析研究了隧道施工期圍巖位移與支護結(jié)構(gòu)受力的變化特征；在此基礎(chǔ)上分析了典型圍巖段的隧道穩(wěn)定性[2]。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，及時準(zhǔn)確地進行反饋、對隧道設(shè)計進行改進和現(xiàn)場施工進行變更，以達(dá)到對設(shè)計資料的最佳優(yōu)化，最終可為施工措施改進以及施工參數(shù)進行調(diào)整提供一定的指導(dǎo)意義。此外，本文的分析結(jié)果對特殊性、復(fù)雜性和膨脹土軟巖等類似復(fù)雜條件的淺埋特長隧道的穩(wěn)定性研究具有一定意義，為現(xiàn)場施工和改進設(shè)計方案具有一定的參考作用和指導(dǎo)意義。

2 超前預(yù)報和現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

根據(jù) Q/CR 9217—2015 《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》、隧道設(shè)計相關(guān)資料及開挖現(xiàn)場，某隧道屬于淺埋隧道。根據(jù)現(xiàn)場工程和水文地質(zhì)條件，隧道施工前期圍巖主要以膨脹粉質(zhì)黏土夾碎石塊為主，層間含細(xì)砂，埋深較淺，滲水嚴(yán)重。施作超前地質(zhì)預(yù)報時主要以方法簡單、耗時少、對現(xiàn)場圍巖影響較小和預(yù)報準(zhǔn)確的方式為主。根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)環(huán)境情況，選擇以地質(zhì)調(diào)查法為主，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)探測法對前期施工階段進行超前地質(zhì)預(yù)報，具有快捷實時、對施工影響較小等特點。

地質(zhì)雷達(dá)探測法以脈沖反射波在不同介質(zhì)中的反射情況形式記錄。根據(jù)圍巖的不同，脈沖反射波在不同介質(zhì)的圍巖中傳播，由于圍巖的介質(zhì)對波在傳播過程中的吸收和圍巖介質(zhì)不均勻的特點，導(dǎo)致反射波在到達(dá)接收裝置時，反射波的波幅逐漸衰減，發(fā)射波和接收到的波形差異變化較大[3]。此外，現(xiàn)場各種不確定條件下的隨機噪聲和干擾，也會影響發(fā)射波的接收。因此，需要對采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)進行分析處理，以減少數(shù)據(jù)的噪聲，為分析數(shù)據(jù)提供清晰準(zhǔn)確的雷達(dá)圖像。圖像處理過程中對數(shù)據(jù)進行減少噪聲干擾，改善背景。通過數(shù)據(jù)處理軟件對采集的數(shù)據(jù)進行自動時變增益或控制增益以補償介質(zhì)吸收和抑制雜波、濾波處理除去高頻，降低背景噪聲和余振影響。對采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、小波增益調(diào)整和濾波等方法的處理，最終得到雷達(dá)探測各條側(cè)線的結(jié)果圖，并對成果圖進行探測對象的地質(zhì)判釋[4]。

2.2 監(jiān)控量測項目和內(nèi)容

根據(jù) Q/CR 9217—2015 和隧道設(shè)計相關(guān)資料及開挖現(xiàn)場，確定如下量測項目，即地質(zhì)和支護狀況等觀察、周邊位移、拱頂沉降、地表下沉監(jiān)測[5]。

（1）地質(zhì)調(diào)查法項目采用地質(zhì)羅盤和地質(zhì)錘等地質(zhì)工具，對現(xiàn)場巡視、圍巖的敲擊、掌子面和支護狀況的觀察，描述和記錄掌子面的巖性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和地下水等特點，最終描繪地質(zhì)素描圖。及時巡視隧道初期支護后圍巖穩(wěn)定情況，觀察支護狀態(tài)有無開裂、滲水和掉塊等現(xiàn)象，并做好相應(yīng)記錄，如有特殊情況立即向施工單位反映，以便做出安全措施。

（2）周邊位移、拱頂沉降和地表下沉監(jiān)測主要采用坐標(biāo)定向和后方交會方法，儀器選用高精度的徠卡 TS 09 全站儀。在周邊收斂監(jiān)測過程中可采用相對坐標(biāo)進行測量，計算隧道開挖的相對寬度。

2.3 斷面及測點布置

（1）斷面埋設(shè)距離。隧道內(nèi)拱頂沉降和周邊位移收斂點的監(jiān)測點埋設(shè)相同橫斷面，根據(jù)該隧道設(shè)計資料和圍巖實際情況進行處理。該隧道全程為淺隧道，埋設(shè)較淺，隧道上方主要以灌木林和耕地為主，隧址貫穿多條縣道和高壓電塔，全程 Ⅳ 級圍巖，圍巖穩(wěn)定性極差，全程三臺階法開挖，因此該隧道點位埋設(shè)間距全程為 5 m。地表沉降點依據(jù)施工需要，在隧道洞口段地表布置測試斷面。

（2）斷面測點布置。隧道拱頂下沉和周邊凈空收斂是體現(xiàn)隧道開挖圍巖和初期支護結(jié)構(gòu)力學(xué)變化的最顯著的監(jiān)測參數(shù)，通過測量數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地了解圍巖和支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)[6]。該隧道開挖方式為三臺階開挖，掌子面開挖支護后再以隧道中線為主布設(shè)一個拱頂，當(dāng)隧道變形較大的情況可在中線兩次適當(dāng)增加拱頂沉降點。周邊收斂點埋設(shè)在拱頂測點同一橫斷面，點位位于拱腰和邊墻上，下臺階開挖后再拱腳上方 1 ～ 2 m 處埋設(shè)第三組周邊收斂點。隨著開挖地跟進，可在監(jiān)測斷面附近的邊墻上標(biāo)記里程樁號，以便準(zhǔn)確的分析危險段。地表沉降測點根據(jù)施工和觀測方便等實際情況提前布設(shè)在洞內(nèi)監(jiān)測斷面的相同斷面[7]。

3 預(yù)報和監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 預(yù)報結(jié)果分析

通過對某隧道 DK 76 + 865—DK 76 + 835 進行地質(zhì)雷達(dá)探測，探測掌子面主要為黃色全風(fēng)化粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)碎石塊，巖體極破碎，開挖擾動后呈松散土夾砂礫、碎石狀或黏性土狀，圍巖完整性、穩(wěn)定性極差，需超前支護并及時支護，V 級圍巖。地質(zhì)雷達(dá)探測成果顯示，雷達(dá)圖像整體同相軸連續(xù)性極差，信號衰減快，反射信號較強、紊亂，未見明顯反射面，推測前方主要為全風(fēng)化軟弱塑狀粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)碎石塊地層，巖體穩(wěn)定性、完整性差，地下水弱發(fā)育，開挖時掌子面易掉塊或坍塌。建議開挖中短進尺，早閉合，早噴護；減少對圍巖的干擾，必要時中下臺階施作臨時橫撐，以減少周邊受力。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

（1）地表沉降結(jié)果分析。根據(jù)現(xiàn)場 2018 年 11 月 1 日至 12 月 13 日的實測地表監(jiān)測點 1 至監(jiān)測點 7 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制地表累計沉降變化曲線圖和沉降速率圖，如圖 1、圖2 所示。

圖1 DK 76 + 865 地表累計沉降變化曲線圖

圖2 DK 76 + 865 斷面地表沉降速率曲線

斷面 DK 76 + 865 地表累計沉降曲線圖和沉降速率圖表明，因隧道的掌子面和仰拱開挖影響，地表沉降變化較大；距開挖中線較近地表點沉降量相對其他測點變化較大，測點4 最大累計達(dá)到 57.8 mm，沉降速率最大 2.7 mm/d。隨仰拱跟進和初支穩(wěn)定，變形速率和沉降量逐漸變緩，最終趨于穩(wěn)定。

（2）拱頂沉降結(jié)果分析。斷面 DK 76 + 865 開挖后，圍巖以黑褐色、黃色和紅褐色膨脹粉質(zhì)黏土夾碎石塊為主，開挖面多處有股狀水流出，掌子面存在掉塊現(xiàn)象；初期支護后及時進行了拱頂沉降監(jiān)測，其中，該斷面前 7 d 的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表 1 所示，長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成拱頂累計沉降曲線圖如圖 3 所示。

表1 DK 76 + 865 斷面拱頂沉降部分?jǐn)?shù)據(jù)

圖3 斷面 DK 76+865 拱頂累計沉降圖

拱頂測線 A 的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，斷面開挖到初期支護，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大，最大變形速率為 8.74 mm/d，7 d累計達(dá) 43.9 mm；隨著中下臺階開挖，變形持續(xù)變化，最終累計沉降高達(dá) 91.3 mm，累計變形量超過設(shè)計 75 mm 要求。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，加強現(xiàn)場施工安全措施，縮短開挖進尺，調(diào)整初支支護參數(shù)，在中臺階和下臺階開挖時進行臨時橫撐支護以保證圍巖穩(wěn)定，防止滑塌和冒頂?shù)任ｋU。

（3）周邊收斂結(jié)果分析。通過對隧道開挖面 DK 76 +865 斷面凈空收斂測線 S 1、S 2 和 S 3 進行監(jiān)控監(jiān)測，凈空收斂曲線變化示意圖如圖 4 所示。

圖4 斷面 DK 76 + 865 凈空收斂曲線變化示意圖

由圖 4 可知，凈空收斂相對拱頂測線變化相對較小，上臺階最大累計量為 67.2 mm，中臺階累計量為 58.5 mm，下臺階為 29.5 mm。周邊收斂穩(wěn)定趨勢時間較短，表明該斷面的圍巖受力主要來自拱部，在對中下臺階進行臨時橫撐施工有明顯的作用。該方法對圍巖穩(wěn)定性較差段有顯著效果，也適用于相似圍巖穩(wěn)定差的淺埋隧道。

4 結(jié) 語

（1）新建貴陽—南寧鐵路貴州段某隧道屬淺埋隧道，洞口埋深較淺，以全風(fēng)化軟質(zhì)膨脹粉質(zhì)黏土夾碎石塊為主，層間含細(xì)砂，易出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象；圍巖自穩(wěn)能力極差，極易滑塌，施工危險極大?；趯υ撍淼绹鷰r進行超前預(yù)報和圍巖變形實時監(jiān)測與分析表明以下問題。① 地質(zhì)雷達(dá)探測法可以準(zhǔn)確地預(yù)測前方圍巖情況。② 拱頂沉降、周邊收斂和地表沉降變形監(jiān)測，可實現(xiàn)對隧道內(nèi)外圍巖變形情況進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映圍巖的變形情況，保證施工安全，預(yù)防掌子面坍塌。

（2）現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確實時地反映初期支護變形情況，通過變形分析可以及時對現(xiàn)場施工進行安全指導(dǎo)，為調(diào)整開挖進尺和初期支護參數(shù)等提供參考。同時，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸預(yù)測分析，可以分析襯砌支護施工的最佳時間。

（3）特殊性、復(fù)雜性和膨脹土軟巖等不良地質(zhì)隧道開挖過程中使用地質(zhì)雷達(dá)探測法和現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)對相似山嶺隧道設(shè)計和現(xiàn)場施工具有一定參考意義。