综合勘探在大跨径隧道穿越冲沟浅埋段的应用

陈博文　赵启雄　戴军

摘要：为解决大跨径隧道冲沟浅埋段施工安全问题，文章以实际工程项目为背景，应用综合勘探技术对隧道地质水文情况、掌子面围岩情况及围岩变形情况进行科学性分析，为隧道工程设计提供准确数据，并依此制定相应的专项施工方案，从而提高隧道施工的安全性。

关键词：大跨隧道;冲沟浅埋段;地质勘查;超前地质预报;监控量测

中图分类号：U452.1+1A260965

0 引言

百色市属典型的三叠系地层，在修建隧道时，极易遇到冲沟浅埋段等不良地质体，其整体施工难度大，尤其对于大跨径隧道在复杂浅埋地质情况下的施工技术要求较高[1]。采用隧道综合勘探技术可以更好地了解工程地质特征、水文条件、围岩等级及沉降数据等，并能够获取相关的图像资料。目前，地质勘测技术主要应用工程物探方法，使用该方法可以准确绘制出地质断面图和工程物探曲线图，从而对隧道结构周边地质的土石分界和风化层厚度有更准确的把控。超前地质预报技术主要采用地质调查法和地质雷达法，可以对隧道围岩情况进行具体描述、分级，从而确定隧道施工的具体支护参数。监控量测技术主要是应用数码相机、收敛计、全站仪等测量工具对隧道施工过程中的围岩和支护系统的稳定状态进行监测，从而实现动态管理，确保隧道工程施工质量和进度。因此，采用综合勘探技术可以从宏观、较微观及细观角度加强隧道工程施工的安全稳定性。综合勘探技术应用流程如图1所示。

本文依托黎明二号隧道进口浅埋段实际工程，利用地质勘查技术对隧址区地形地貌、地层岩性及水文地质条件等进行勘察，通过超前地质预报对掌子面围岩级别进行判定和不良地质体的探测，并结合动态监控量测技术对拱顶下沉、周边收敛、地表下沉检测数据进行回归分析，综合分析冲沟浅埋段围岩变形位移规律，以便对冲沟浅埋段施工制定合理的支护参数和预防加固措施，对以后的隧道冲沟浅埋段施工具有一定的参考价值[2]。

1 工程概况

本隧道为双向六车道大跨径分离式隧道，设计时速为120 km/h，净宽为18.25 m，净高为10.27 m，隧道简要信息如表1所示。沿线隧道浅埋段共有5处，冲沟信息如表2所示。由表2可知，冲沟3桩号与隧道左洞桩号相交，并且与隧道相交处沟底高程最小，具有一定的代表性。因此，本文选择冲沟3对隧道左洞冲沟浅埋段施工进行分析。

2 冲沟浅埋段地质状况

2.1 地质勘查

隧道工程地质勘查可以准确确定出围岩级别、水文条件等，为后续的设计与施工提供有效资料[3-4]。本次勘探主要采用工程地质调绘与物探相结合的方式进行，对隧址区内地层岩性、地质构造、不良地质现象的分布、隧道地区覆盖层及基岩风化层厚度、岩体破碎程度等进行分析。

2.1.1 地形地貌、地质水文概况

隧道区属构造剥蚀丘陵地貌，地形较陡。地层主要由第四系残坡积层（Qel+dl）和三迭系中统百逢组（T2b）组成，岩层产状、节理和裂隙变化较大。隧道区下伏基岩主要为泥质粉砂岩、砂岩，局部夹泥质粉砂岩和页岩，多以薄～中厚层状构造为主，裂隙多以风化裂隙为主，发育密度大。地表水体主要为场地中冲沟内的小水沟，长年流水，但水量小。地下水主要为赋存于第四系覆盖层中的孔隙水及基岩中的破碎带及构造裂隙水。

2.1.2 工程物探方法

由于测区内浅部和较深部基岩的破碎程度、富水状态与其周边岩土体间等均存在明显的电性（如介电常数、电阻率、电导率等电性参数）差异和弹性纵波波速差异，因此采用浅层地震折射波法和高密度电法进行勘查[5-6]。

浅层地震折射波法勘查采用岳阳奥成 HX-DZ-02A 型多道数字高分辨率地震仪，利用相遇追逐观测系统，布置24道检波器，检波距为5 m、追踪炮偏移10 m。高密度电法勘查采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDA-1多功能数字直流激电仪，电极极距为10.0 m，电极数为60/80个，观测29/31层。然后结合地质测绘资料等进行综合分析，绘制冲沟3剖面推断地质断面图（如图2所示）及工程物探曲线图（如图3所示）。

由图2可知，冲沟3（ZK5+120～ZK5+360段）岩土为中风化泥质砂岩，岩土特征为灰黑色，泥状结构，中厚层状构造，岩质较硬，节理裂隙发育，岩体破碎，可能含水。由图3分析可知，测区浅部地层视电阻率值多在800～20 070 Ω·m以内，呈明显的较低阻状，深部电阻率多在500～1 500 Ω·m以内，局部呈现低阻状，主要为局部岩体裂隙发育，岩体破碎引起的低阻異常。在物探测线范围内，隧道冲沟3位置对应里程在设计隧道埋深部位出现圈闭状低阻异常，推测该处岩体破碎，对拟建隧道影响较大，建议设计隧道围岩级别时适当降低该段的围岩等级，在施工时做好防水、防崩塌措施。

2.2 超前地质预报

超前地质预报的应用可以进一步查明隧道掘进工作面前方的地质情况，为制定隧道施工方案提供一定的依据[7-8]。本次地质预报采用地质调查法和地质雷达法对隧道冲沟3段进行探测分析，其中地质雷达法采用 impulse Radar CO1760 全数字双频探地雷达。雷达测线布置如图 4 所示。

2.2.1 地质调查法

地质调查法是以岩石、地层、构造及地貌等为对象，以地质学为指导，以观察研究为基础的调查工作。因此，通过对隧道当前冲沟浅埋段掌子面（ZK5+335）现场情况分析可知：掌子面围岩自稳能力差，无支护易掉块、塌方，岩体以中风化粉砂岩夹泥岩为主，总体破碎，结合差，节理裂隙发育，局部泥质等软弱夹层发育，岩质较软～较坚硬，结构类型为碎裂状结构，掌子面整体湿润，局部有滴水现象。

2.2.2 地质雷达法

采用地质雷达法可以直接观测出岩体结构内部的稳定状态、岩性及风化程度、完整程度、坚硬程度、地下水情况等。通过对原始采集的地质雷达数据进行静态校正、增益调整、去直流漂移、滤波、压制和剔除干扰波及突出有效波等处理后，处理结果如图5所示。

通过当前掌子面的地质情况，结合对地质雷达波图像的辨识及地质条件的综合分析可知，隧道掌子面前方0～25 m（即ZK5+310～ZK5+335）范围内雷达反射波以不均匀的中频为主，局部同相轴相连续，无明显规律，局部幅值较强。结合掌子面围岩情况，推测该区域围岩岩体节理裂隙发育，软弱夹层发育，岩体总体破碎，结合差，围岩自稳能力差，开挖后极易掉块、坍塌。

因此，根据本次预报预测的围岩情况，结合现场实际情况，建议探测里程段内施工围岩等级如表3所示。

2.3 监控量测

监控量测能够对隧道围岩的变形情况、隧道支护的下沉情况以及支护结构的动态变化等进行测量，帮助工程技术人员及时发现和解决隧道变形问题，保障隧道工程的施工质量和使用安全[9-10]。根据该隧道工程的具体情况，对洞内冲沟浅埋段（ZK5+335）监控测定布设如图6所示，隧道断面拱顶下沉、周边位移情况如表4所示。

由表4可知：通过黎明二号隧道进行为期30 d的监测，拱顶累计位移为9.1 mm，最大速率为0.2 mm/d;周边累计位移为7.0 mm，最大速率为0.2 mm/d。位移-时间曲线如图7所示。

根据图7中拱顶累计沉降量曲线和上、下台阶累计周边位移曲线可以看出，该冲沟段围岩变形、拱顶沉降量、周边收敛较大，随着支护参数的加强，各参数均得到有效控制，但拱顶及周边依旧存在继续变形的趋势，进而需要采取针对性措施对该冲沟段进行加固，从而提前预防因沉降量过大而发生安全事故。

3 施工方法

根据综合勘探技术监测结果，针对该冲沟浅埋段应进行加固处治。加固处置方案图及现场施工图如图8所示。处置方案为注浆加固、地表硬化、回填黏土与种植土三种方式，具体方案如下：

（1）加固注浆管布孔采用矩形布孔，注浆管采用 42 mm×4 mm开孔钢管，钻孔角度与水平面垂直。

（2）注浆管深度要求在隧道范围内，深度达到外侧，在隧道两侧应深入破裂面≥2 m。在施工过程中如遇注浆量突增情况，应加密加深注浆孔。

（3）注浆采用水泥液浆，水泥浆水灰比为1∶1，水泥标号为42.5。

（4）施工顺序为清表并平整场地、成孔、分段注浆。

（5）注浆应自上而下分段进行，分段长度应控制在5 m以内。

（6）注浆完毕后在隧道埋深处5 m的地方回填水泥土。

（7）铺设@20 cm×20 cm 8 mm钢筋网并浇筑30 cm厚C25混凝土进行地表硬化，回填30 cm厚黏土和30 cm厚种植土，并植草绿化。

根据上述处置方案进行施工后，顺利通过该冲沟浅埋段。

4 结语

本文通过综合勘探技术对黎明二号隧道冲沟浅埋段地质情况、围岩特性及围岩变形位移监测数据进行分析可知：

（1）在隧道通过冲沟浅埋段时，由于自然环境的影响，埋深较浅，围岩等级较低，风化程度较为严重。在施工过程中，围岩自身易破碎，位移变化较大，掌子面出现坍塌风险较高。

（2）采用综合勘探技术对施工前围岩情况进行探查、监测，能够对后续施工提供一定的依据，从而可以对原设计进行优化，达到指导施工的目的。

（3）在通过冲沟浅埋段时，需要根据具体的地质、围岩、沉降情况，采取相应的加固措施，防止安全事故的发生。

参考文献

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[3]赵文财，范飞飞，李子琦，等.基于大管棚支护的大断面黄土隧道穿越冲沟地貌控制效果分析[J]. 公路， 2020（8）：380-385.

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[9]刘小俊. 基于施工监控量测技术的公路隧道围岩稳定性研究[D].成都：西南交通大学， 2017.

[10]廖浩然， 张青鹏. 高速公路隧道施工监控量测技术应用[J].交通世界2021（20）：149-151.

作者简介：

陈博文（1985—），高级工程师，主要从事公路工程隧道施工技术管理工作;

赵启雄（1995—），硕士，主要从事公路工程隧道施工技术管理工作;

戴 军（1992—），工程师，主要从事公路工程隧道施工技术管理工作。