公路隧道穿越软弱破碎围岩综合施工及监测技术研究

祁文睿，高永涛

(北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

0 引言

近年来，随着高速公路和铁路建设不断的扩展，隧道工程的修筑也越来越常见，且经常面对的是极其复杂的地质条件。软弱破碎围岩地段是一种常见的不良地质体，在隧道开挖施工过程中经常需要穿越这种不良地质体。然而，由于这种不良地质体岩体极其破碎，富水性好以及强度低，施工过程中易诱发塌方、突水和突泥等灾害，导致不必要的经济损失和人员伤亡。因此，有必要开展相应的研究以保证隧道施工安全高效[1-3]。

国内外岩土工程研究者关于软弱破碎围岩地段隧道开挖施工，进行了许多的研究工作，并取得了一些研究进展。李利平等[4]以某隧道为背景，开展了双线隧道大断面开挖的大型地质力学物理模型试验，揭露了在不同工法工况下隧道穿越软弱破碎地层过程中围岩变形的三维演化规律。王章琼等[5]提出采用打设泄水、小导管注浆和超前管棚等综合施工方案用于控制隧道穿越断层破碎带时塌方涌水灾害。周毅等[6]利用数值分析软件FLAC3D，系统地研究了不用埋深条件下多种开挖工况对隧道软弱破碎围岩施工变形的影响，提供了最优的开挖进尺对于变形的控制。马栋等[7]基于现场试验手段，提出了基于分水降压和内堵外固的高铁隧道通过富水断层破碎带综合处治措施，最终隧道安全穿越破碎带。朱合华等[8]依托隧道软弱破碎带围岩工程，基于室内相似模型试验和数值模拟方法，再现了隧道破碎地层开挖围岩渐进性破坏过程和应力场特征。龚成明等[9]探讨了隧道穿越断层破碎带的安全施工技术，为控制灾害的发生提供了依据。李玉生等[10]根据物理模型试验研究了隧道穿越破碎带时突水涌泥机理。Kimura F等[11]讨论了在富含黏土的岩石地层中，隧道穿越大型的断层破碎带时的支护加固技术。雷军等[12]依托乌鞘岭隧道开挖通过F7断层破碎带工程，基于现场实时监测信息动态优化设计和改进施工措施，保证了隧道安全快速的施工。

尽管关于隧道穿越断层软弱破碎区施工的课题开展了许多研究，但是大多数研究是基于室内试验和数值模拟手段进行开展的，这两种研究手段均是在理想环境进行，许多条件都进行了简化和假设，并不能充分考虑隧道施工现场的复杂地质条件，导致研究结果缺乏普遍适用性。因此，根据某公路隧道穿越F139软弱破碎地段工程，基于现场试验研究手段，开展了软弱破碎区综合超前地质预报、综合开挖加固技术以及破碎区围岩变形综合实时监测技术研究，保障了公路隧道安全顺利通过破碎带，以期为同类隧道工程提供指导和参照。

1 工程概况

1.1 隧道及工程水文地质概况

北京段某高速公路工程全长33.2 km，其上设置了一座双向4车道高速隧道(设计时速80 km/h)，隧道进京线起讫里程为ZK16+346.6～ZK20+965，长度为4.618 km，隧道出京线起讫里程为YK16+342～YK21+022，长度为4.680 km。该公路隧道是分离式的中等跨度隧道，单洞建筑物界限尺寸为11.0 m×5.5 m，隧道进出口平面设计为纵向坡度2.6%的单向坡，设计荷载为公路-I级，抗震设防烈度为8级，隧道施工过程中采用纵向式的机械通风方式为隧洞内供风。

地勘报告显示，隧址区地质条件复杂多变，主要地层包括第四纪坡积、洪积层、长城系以及太古界，其中第四纪坡积和洪积层连续分布，厚度大约为0.8～3.5 m；长城系基岩层包括常州沟组石英砂岩、串岭沟组黑色页岩以及大红峪组石英砂岩；太古界片麻岩基岩层分布于背斜地层的核部。隧道洞身主要以IV和V级围岩为主，IV围岩占了双洞隧道总长的43.68%，V级围岩占了双洞隧道总长的51.76%。隧址区地下水丰富，地质构造发育，主要为褶皱和断裂带构造，其中包括6条软弱断层破碎带，分别为断层F137，F138，F139，F140，F141和F142，其中F139断层破碎带及其影响范围对隧道开挖施工的影响最大。F139断层为典型的正断层，产状为181～187°∠75°，断层宽度为150 m(起讫里程YK20+450～YK20+600)，与隧道出京线相交里程为YK20+450，该段隧道埋深约45～115 m。包含F139断层的出京线纵断面图如图1所示。断层带内岩体破碎，裂隙结构面发育严重，胶结性差，构造裂隙水发育，破碎带围岩主要为密云群中等风化片麻岩和长城系强-中等风化变质石英砂岩和板岩，其中还包含大量的构造角砾岩。破碎带围岩等级为V级，工作面围岩强度低、自稳性极差，施工过程中操作不当或受到扰动易发生塌方、突水等灾害。

图1 含F139断层破碎带隧道纵断面图Fig.1 Profile view of tunnel with F139 fault fracture zone

1.2 施工技术难点分析

F139软弱断层破碎里程(YK20+450～YK20+600)施工过程中，掌子面被裂隙结构面互相切割，稳定性差，岩体破碎，内摩擦角低，经常观察到自然滑塌现场。2018年3月2日，隧道开挖施工到掌子面里程YK20+495.5时，现场施工人员正在施作钢拱架，掌子面右拱肩发生塌方，塌落高度约为2.5～4 m，宽度约为3～5 m，所幸人员撤离及时，没有导致人员地伤亡，另外还观察到塌方后，掌子面围岩还自然地往下掉块，自稳性极差，围岩风化严重，呈现出松散的似土状。2018年3月15日下午，隧道开挖施工到掌子面里程YK20+531.6时，在掌子面上台阶钻孔过程中前方突发突水事故，起初水流量与水压较大，一段时间后水压逐渐变小，水流涌出时伴随着泥土的涌出，严重地耽误进度和施工作业。因此，针对软弱断层破碎带施工面临的难点，亟需开展断层破碎带开挖施工与支护的综合技术研究，并实施实时监测破碎围岩的变形规律研究，及时反馈围岩变形特性，保证隧道顺利通过破碎区。

2 隧道穿越软弱破碎围岩区段综合施工技术

针对F139软弱断层破碎带YK20+450～YK20+600里程段围岩破碎，自稳性差以及现场遇到的施工技术难点，提出采用“综合超前地质预报准确预判掌子面前方不良地质的赋存状态、短进尺3台阶7步开挖施工方法、地表预注浆加固以及双排小导管超前支护”的综合施工方案超前加固了破碎围岩体并起到堵水功效，最终保证了隧道安全高效穿越F139软弱破碎围岩地段。

2.1 综合超前地质预报

在隧道掌子面开挖施工之前，开展超前地质预报研究，能够提前判断掌子面前方的复杂地质条件，进一步确定围岩等级以及变更情况，为后续选择合理经济的施工方法提供了参考依据。目前为止，超前地质预报的施作变成了隧道工程必不可少的环节，也是确保隧道施工安全的关键措施之一。对于软弱断层破碎带地段，地质条件复杂多变，围岩稳定性差，富水条件好，荷载扰动下易发生塌方和突水等地质灾害，因此，开展科学先进的超前地质预报工作对于隧道高效施工显得格外得重要[13]。

根据F139软弱断层破碎带现场实际施工状况以及勘察设计资料，现场开展了基于隧道地震预报、探地雷达、超前地质钻探以及孔内成像的综合超前地质预报研究，通过各种方法的判断结果相互解释和验证以准确地判断和揭露掌子面前方的地质条件，包括断层的赋存条件和形态、富水情况和其他潜在的不良地质体。

2.1.1 隧道地震预报

隧道地震预报(TSP)属于一种弹性波探测法，有效的探测距离能够达到100～150 m，是一种中长距离的探测方法，其基本原理是采用人工激发地震波遇到不良地质体(比如断层、溶洞)所产生的反射波特点来预判掌子面前方的地质条件，反射波通过三分量接收器进行接收[14]。隧道施工采用的TSP203Plus进行超前探测，参数设定为：记录单元24位A/D转换，采样间隔62.5 μs，动态范围120 db，接收器频率范围0.5～5 000 Hz，记录长度512 ms，数据的采集和处理采用TSPwin软件。

在掌子面里程YK20+460处施作TSP超前地质预报，以探测YK20+460～YK20+600范围内的地质状况，预报结果如图2所示。从图2可以看出，里程YK20+460～YK20+500范围内，岩体力学参数(包括速度、泊松比、纵波横波速度比以及静、动态杨氏模量)变化较为稳定，没有较大的波动，反射面数量不多且比较分散，表明该里程段范围内围岩裂隙发育但不是很严重，岩体中等风化，围岩稳定性一般，地下水弱发育。然而，里程YK20+500～YK20+600范围内，上述岩体力学参数变化浮动明显增大，局部震荡较为明显，并且观察到反射面数量迅速增加，分布较为密集(见图2中虚线框所示)，上述现象表明，所研究的里程范围内岩体破碎，岩质较软，裂隙结构面分布广泛，围岩受强风化作用，松散破碎，地下水发育，围岩稳定差，属于F139断层破碎带的核心影响区段，施工过程中应采取合适技术措施，开挖进尺缩短，及时加强支护和开展实时监控量测作业，保证施工安全。

图2 TSP超前地质预报结果Fig.2 Result of TSP advanced geological forecast

2.1.2 探地雷达

探底雷达(GPR)属于一种电磁波探测方法，探测距离为掌子面前方15～30 m范围，属于短距离超前探测方法，其原理主要是采用宽带高频时域电磁脉冲波的反射来探测前方的目标体[15]。现场探测采用的是瑞典RAMAC/GPR(ZL1 504)型地质雷达以及100 MHz屏蔽天线。探测过程的参数设置如下：采样频率为1 050 MHz，采样点数512，自动叠加的测量方式，触发间距为0.1 m。现场雷达探测测线布置呈“井”字形，包括4条测线(测线1～4)，分别为2条水平测线和2条竖直测线，测线布置示意图如图3所示。

图3 雷达测线及超前地质钻孔布置示意图(单位 ：m)Fig.3 Schematic diagram of radar survey line and advanced geological drilling layout(unit:m)

利用地质雷达在掌子面YK20+486.5里程开展预报，探明前方30 m的地质状况，探测结果如图4所示。从4条测线的探测结果中可知，在工作面前方2～15 m范围内，电磁波信号呈现出中高频现象，能量聚集，分布非常不均匀，沿掌子面前方能量衰减较快，波形杂乱无章，表现出不均一性，同相轴错段不连续，电磁反射波的波组同向性较差，波的振动幅度较大，局部区域观察到散射和绕射的现象。这些描述表明该范围内岩体破碎严重，裂隙结构面发育，围岩稳定性差，局部还存在软弱物质充填，遇到容易软化，岩体强度低。而15～30 m深度范围内，电磁波信号具有一定的连续性，振幅不明显，信号以中低频占多数，但局部依然观察到同相轴时断时续，反射信号紊乱，表明该探测范围内围岩整体性稍好，节理裂隙只是在局部发育，这些区域可能含有水，结构松散，也可能是软弱带或夹层。因此在施工过程中要注意及时加强支护，减少岩体的暴露时间，预防塌方掉块和突水灾害的出现。

图4 YK20+486.5里程雷达探测结果Fig.4 Result of radar detection at mileage YK20+486.5

2.1.3 超前地质钻孔及孔内成像

为了进一步探明掌子面前方的地质条件，在上述物探法的基础上，继续开展钻探法超前探测，前者属于无损探测，后者属于有损探测。本次超前地质钻探预报的孔位布置如图3所示，即在掌子面上钻凿3个水平地质钻孔，分别为1#，2#和3#钻孔，孔的直径均为120 mm。2018年2月27日，现场施工人员操纵超前水平钻机在YK20+486.5里程进行掌子面前方35 m距离的超前预报(即里程YK20+486.5～ YK20+521.5区段)，以更准确地了解前方的地质条件。根据现场施工结果可知，前15 m范围内，岩体较为坚硬，稳定性和裂隙发育一般，岩石中等风化为主，水系发育不大严重，只观察到少量的水流。相反，钻凿后20 m施工过程中，岩体明显破碎，结构面发育严重，呈现出强风化的特征，地下水流量较大，围岩自稳性较差。

此外，为了更为直观地反映孔内岩体的特征、富水情况以及裂隙的发育特征程度，基于孔内成像原理在YK20+486.5里程对于上述3个水平钻孔进行钻孔探测成像。采用的成像设备是天宸TS-CD01钻孔多功能成像分析仪，图5显示了3个钻孔在10,20,30 m处的成像结果。从图中可以看出，相比钻孔内10 m位置，30 m处水量明显增大，岩体更为破碎，风化更为严重，表明孔内后半段围岩自稳性更差，节理裂隙发育严重。此外，成像结果中还观察到了岩体褐黄色的浸染构造，这是由于风化作用导致的结果。

图5 1#～3#钻孔孔内成像Fig.5 Imagings in 1st to 3rd drilling holes

上述现场试验探测结果表明，超前地质钻探及孔内成像的探测结果与TSP探测、探地雷达的探测结果较为吻合，综合探测结果显示，YK20+490～YK20+600里程段是F139软弱断层破碎带的核心地段，此区段围岩破碎严重，稳定性差，岩体受风化作用影响大，强度低偏软，地下水丰富，开挖施工过程中要及时施作超前加固措施，控制支护作业施作时间，尽量发挥围岩的自承能力，采用短进尺弱爆破施工方式减少对围岩的扰动，提高围岩的自稳性，保证施工安全。

2.2 开挖施工方法

根据施工现场情况以及综合超前地质预报结果，提出采用3台阶7步开挖施工方法[16]。施工过程中需要合理控制弧形导洞的开挖进度，利用分部开挖的方式进行施工，采用控制爆破方法开挖，优化爆破施工参数，防止爆破震动荷载导致围岩坍塌，当遇到围岩极其破碎时，可在隧道拱顶位置施作竖向临时方木支撑。本区段设计为V级围岩，衬砌类型为Vc级复合加强型衬砌支护形式，隧道开挖的循环进尺为两环钢架的距离，钢架设计为HW175型钢架，间距取决于实际围岩情况，采用的锚杆类型为普通中空注浆锚杆，长度为3.5 m，设计预留变形量为12 cm。

2.3 地表预注浆

针对F139软弱断层破碎核心影响地段(里程YK20+490～YK20+600，长度110 m)，且埋藏深度不大于65 m的区段，隧道施工开挖之前实施地表预注浆作业，提前加固破碎围岩体，改善围岩体的力学性能。地表预注浆加固采用直径为50 mm PVC注浆管进行注浆，注浆加固的横向范围为隧道中心轴线两侧各10.8 m，竖向加固深度范围为隧道隧底以下3 m。注浆孔分为帷幕孔和内部孔，帷幕孔也称外部孔，布置在最外侧，施工过程中应该先对帷幕孔进行注浆形成帷幕墙抑制内部孔注浆时浆液的流失，再施作内部孔注浆，形成一种以帷幕孔注浆为约束和以内部孔注浆进行发散的间隔式的跳孔注浆模式。帷幕孔注浆材料采用普通水泥-水玻璃双液浆，额外加入水泥重量2%～3%的速凝剂，以加快浆液的凝固时间，内部孔注浆材料采用单液浆注浆(掺HPC同性能的普通水泥)。注浆期间利用刚性材质的袖阀管自孔底向孔口进行注浆，是一种后退式分段注浆加固过程，地表注浆的详细施工参数如表1所示。

表1 地表注浆施工参数Tab.1 Construction parameters of surface grouting

2.4 双层小导管超前注浆

除了洞外地表预注浆，洞内还施作双层注浆小导管超前加固隧洞周围岩体，减少周边岩体的变形和位移。双层注浆小导管施工的关键点在于隧道施工开挖之前，沿着隧道开挖边缘钻凿一定直径的双层布置的钻孔，然后打入具有一定数量注浆孔的钢管，浆液通过钢管表面布置的注浆孔到达破碎围岩体，充填岩体中的裂隙孔隙并固结破碎围岩体，从而在隧洞周围形成一圈密实的加固圈，提高周围岩体的物理力学参数和抵抗变形的能力。对于F139软弱断层破碎带地段，隧道开挖施作双层小导管施作过程中，第1层(最外层)小导管角度设定为22°～30°，其加固作用机制是锚杆加固作用和加固注浆作用；第2层(最内层)小导管角度设定为5°，其加固作用机制是梁的作用，即形成稳固岩体和钢拱架两端固定的固端梁模型，提高岩体的稳定性和强度，防止岩体塌落。双层小导管布设在拱部150°范围，最外层施作46根，最内层施作45根，每根小导管的长度为4.5 m，注浆材料为普通水泥砂浆单液，现场详细的施工参数如表2所示。

表2 双层注浆小导管施工参数Tab.2 Construction parameters of double-layer grouting pipes

3 隧道穿越软弱破碎围岩变形综合监测技术

隧道施工过程中，监控量测已经成为一个必不可少的措施环节，也是保证隧道安全高效施工的关键措施之一。基于实时动态监测结果能够及时调整隧道施工方案和施工参数，并能为地质灾害的预报提供前期的预警。隧道围岩变形监测是监控量测的一个必测项目之一，也是最重要和最常见的监测指标之一[17-18]。

F139软弱断层破碎带自稳性差，岩体破碎，尽管施工过程采用了上述超前加固支护措施，围岩的力学特性得到很大的改善，但是由于岩土工程体的赋存条件复杂，存在很多的不确定性和不可控制性，故在施工过程中依然需要实时监测围岩体的位移变化规律，根据围岩变形特点的反馈信息为现场施工作业提供参考，以保证隧道施工作业安全。隧道施工过程中提出综合采用基于全站仪+反光片监测和基于三维激光扫描仪监测两种方法开展对围岩变形特性研究。

3.1 基于全站仪的监控量测

3.1.1 监测点的布置

根据隧道现场施工采用的开挖方法以及《公路隧道监控量测技术规程》(DB13/T2177—2015)，在隧道通过F139软弱断层破碎带施工过程中，沿着隧道轴线布置了10个监测断面(50个监测点)，从第1个监测断面YK20+500开始，按照每隔10 m的断面距离依次增加，一直到断面YK20+590，每个监测断面布设1条沉降测线和2条收敛测线(H1和H2)，详细的监测点布置如图6所示。

图6 监测断面测点布置图Fig. 6 Layout of measuring points on monitoring section

3.1.2 监控量测结果分析

隧道施工期间采用徕卡TCRA1201全站仪+反光片开展围岩的变形实时监控量测作业。由于篇幅有限，只列举了5个典型监测断面(YK20+500，YK20+520，YK20+540，YK20+560和YK20+580)40 d以来的围岩体变形规律，监测结果如图7所示。从图中可知，5个量测断面的累计拱顶沉降表现出起初急剧增加，然后短暂的稳定，紧接着小幅度的增加，最后趋于稳定的规律，YK20+500，YK20+520，YK20+540，YK20+560和YK20+580断面最终的沉降值分别为27.6, 30.6,33.6,36.1，39.1 mm。累计周边收敛也大部分表现类似的规律，其中，5个断面中测线H1的累计周边收敛最大值为37.5 mm，测线H2的累计周边收敛最大值为34.3 mm，参考监控量测规范可知，上述变形值满足设计的要求。

图7 基于全站仪的围岩变形监测结果Fig.7 Monitoring result of surrounding rock deformation based on total station apparatus

3.2 基于三维激光扫描的监控量测

3.2.1 三维激光扫描变形监测概述

基于全站仪+反光片方式仅仅能得到隧道断面轮廓部分点的围岩变形规律，而采用三维激光扫描方法能够一次获得整个隧道断面轮廓的变形特性。利用该方法测量施工过程中，围岩变形的测量原理为：隧道施作初支混凝土之后，立即采用三维激光扫描仪对该断面轮廓进行第1次扫描，将获得的实测断面轮廓与设计资料提供的断面进行对比分析。待初期支护变形稳定之后(大概15～20 d)，对该里程内同一个断面轮廓进行第2次三维激光扫描，将第2次测量得到的断面轮廓数据与第1次得到的轮廓进行套合对比，两者的差值即是该施工时间内围岩的累计变形量。相比传统的变形监测方法，基于三维激光扫描技术的测量方式能够获得更多的空间信息，测量精度较高，测量范围也较大[19-20]。

3.2.2 监控量测结果分析

隧道施工过程中，采用Trimble SX 10型三维激光扫描仪开展围岩变形监测研究，考虑到篇幅有限以及表述的方便，仅仅分析了YK20+540断面在开挖15 d之后上台阶轮廓的变形特性。对YK20+540断面先后进行了2次三维激光扫描，如图8所示，其中非闭合轮廓线代表设计的初支断面，闭合轮廓线代表扫描得到的初支断面，2次扫描获得的断面轮廓数据的差值即为净空累计变形。基于上述扫描轮廓数据，图9直观地显示了YK20+540断面在开挖15 d之后上台阶轮廓的变形规律，从图中可得出，上台阶开挖15 d之后，从左边墙到右边墙，围岩的累计变形大体上表现出先增大，然后再减少的渐进变化规律。在拱顶位置附近呈现出最大的变形，最大累计变形达到了0.021～0.023 m，这与全站仪测量的结果(15 d的拱顶沉降为25.4 mm)较为吻合，而在左边墙和右边墙附近的变形最小，最小变形为4 mm。

图8 基于三维激光扫描技术的断面YK20+540位置处初支位移(单位：m)Fig.8 Deformation of initial support at section YK20+540 based on 3D laser scanning technology (unit: m)

图9 断面YK20+540上台阶轮廓的变形规律Fig.9 Deformation rule of stair profile on section YK20+540

基于上述两种监控量测方法的研究结果，隧道施工开挖施工通过F139软弱断层破碎带时，围岩变形均在设计范围之内，没有出现较大局部变形和塌方，一方面验证了提出的综合施工措施的有效性和合理性;另一方面，也说明了基于三维激光扫描技术的围岩变形监测是可靠的和实用的。

4 结论

依托北京某高速公路隧道穿F139软弱破碎围岩地段工程，分析了施工现场面临的重难点问题，采用现场试验手段研究了一种隧道通过软弱破碎围岩的综合施工技术，并建立了一套基于全站仪和三维激光扫描仪等先进技术手段的隧道围岩变形综合监控量测体系，以指导和动态调整软弱破碎带隧道施工方案和支护参数，得出以下结论：

(1) 实施了基于隧道地震预报、探地雷达、超前地质钻探及孔内成像的综合超前地质预报作业，准确预判了F139软弱断层破碎区的核心影响范围以及裂隙结构面发育和富水状况，降低施工过程中潜在的风险。

(2) 提出了采用短进尺3台阶7步法开挖、地表超前预注浆以及双层小导管超前注浆加固的隧道通过软弱破碎地段综合施工技术，以确保隧道安全通过软弱破碎区段。

(3) 建立了基于全站仪+反光片和三维激光扫描仪等先进技术手段的监控量测体系，变形规律表现为拱顶沉降和周边收敛均呈现出先急剧增长，再保持基本稳定，然后缓慢增加，最后趋于稳定。最大的沉降位移为39.1 mm，最大的收敛位移为37.5 mm，均满足允许的变形规范。

(4) 开展综合超前地质预报、综合施工开挖加固技术和综合监测体系等现场试验的研究，保证了公路隧道顺利安全地通过了F139软弱破碎围岩区段。