特长隧道施工阶段围岩分级的应用研究

郭瑞东，郝付军

（1、山东公路技师学院 济南 250104；2、陕西铁路工程职业技术学院 陕西 渭南 714000）

0 前言

中国经济稳步发展，土木建筑特别是隧道建设方兴未艾。截止2020 年底，中国公路隧道共21 316 处，总长21 999.0 km，其中特长公路隧道1394 处，总长6 236.0 km［1］。特长隧道大多路线长、埋深大，水文地质条件多变。勘查设计单位在隧道初期完全调查清楚施工隧址区的岩体特别是不良地质的性质难度大，因而依据勘查设计阶段的围岩分级不能很好的符合实际施工需要。只有采用多种方法并用的综合地质预报方法［2］，发挥各种方法的优势，扬长避短，才能更加准确的提高地质预报和围岩分级的准确性。为隧道现场施工和变更支护提供科学依据，保证支护刚度和施工质量，加快施工进度，减少发生地质灾害的可能。

1 概况

1.1 工程概况

某高速公路隧道位于贵州省，采用上下行分离形式，设计速度100 km∕h。隧道路线穿越西东走向山体而建设，轴线走向方位角289°转285°，洞身略呈弧形展布。隧道左幅起讫里程桩号：ZK91+847～ZK95+237，长3 390 m；右幅起讫里程桩号：YK91+879～YK95+234，长3 355 m，隧道最大埋深约326 m，属特长隧道。

1.2 隧址区地质调查

经地质调查发现，该特长隧道存在以下不良地质：

⑴ 隧道进、出口浅埋段，岩体风化程度高（见图1），节理裂隙发育，结构面内多泥质充填，围岩自稳能力差，隧道顶部易产生坍塌甚至冒顶等灾害；

图1 隧道进口地貌Fig.1 The Tunnel Entrance Landform

⑵隐伏岩溶发育，二叠系栖霞组（P1q）为灰岩，梁山组（P1l）为灰岩与泥质粉砂岩夹灰岩，在灰岩与泥质粉砂岩夹灰岩层接触面易形成较大规模的溶洞与富水溶洞；

⑶危岩体位于隧道进口左侧之上（见图2），为人工采石形成的灰岩临空陡崖，高度约30 m，崖顶岩石节理裂隙发育，存在崩塌掉块的威胁。

图2 进口左侧危岩体Fig.2 Left Entrance of Dangerous Rock Mass

2 设计阶段围岩分级

根据《公路隧道设计规范：JTDG 70—2004》围岩分级法，结合《工程岩体分级标准》，采取定性划分与定量指标相结合的围岩分级方法，分为Ⅰ～Ⅵ级［3］。设计围岩分级汇总如下：下行线Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩分别占42%、39%、19%；上行线Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩分别占39%、43%、18%。围岩级别主要是Ⅲ、Ⅳ级，因此隧道围岩总体评价良好。

基于地质环境多变，难于准确一次描述，故设计阶段的围岩分级与公路隧道施工时的围岩相差较大。要保证公路隧道施工高效经济、快速安全必须根据实际的围岩状态进行变更设计，使之符合实际情况。因此建立一套符合实际隧道施工的围岩分级体系具有现实意义。

3 施工阶段围岩分级

3.1 依据弹性波散射法（TST）探测技术的围岩分级

TST（Tunnel Seismic Tomography）即隧道散射地震成像技术，其观测系统采用空间布置，在隧道两侧围岩中布置激发和接收系统。地震波的产生需要在震源点小规模爆破或由电火花产生。当地震波遇到包括断层、岩石破碎带和岩性变化的岩石物性界面时，一部分地震信号被投射进入前方介质，另一部分则被反射回来，利用地震检波器接收反射信号。部分地震波的能量被散射回来。散射信号的传播时间与散射界面的距离成正比，因此在准确获得围岩波速的情况下，能作为地质体位置的直接测量方法，其优势是分辨率和准确性较高。TST资料处理主要包含如下过程［3］：①地震记录资料的选取；②地震数据预处理；③观测系统几何参数编辑；④方向滤波；⑤速度扫描与偏移成像；⑥地质解译。

系统硬件组成如图3所示。其中地震信号采集器24通道，24位A∕D转换，使用采样频率为1∕32 ms，采样时长1.5 s。检波器为内置IC 放大器的压电晶体带阻尼检波器，频带为0.5～5 000 Hz。电火花震源标称储能50 kJ。

图3 TST系统硬件组成示意图Fig.3 Schematic Diagram of System Hardware Composition

TST 观测系统采用4 m 道距方案，具体布置如下（见图4）：

图4 孔位布置Fig.4 Hole Location Layout

3.1.1 基本参数设置

⑴检波器12个（S1～S12），布置在两侧壁内，每侧6个，间距4.0 m，埋深1.8 m，S6和S7尽量靠近掌子面。

⑵炸药震源孔6 个（P1～P6），布置在两侧壁内，每侧3 个，每侧第1 个震源孔距最近检波器4 m，其余2个间距24 m，埋深1.8～2.0 m。

⑶检波器孔和震源孔均采用手风钻成孔，钻孔孔径≥80 mm，若围岩破碎，则在打孔后立即插入内径40～45 mm 的PVC 管，插入深度约1.5 m；根据隧道施工情况及地质条件，确定检波器（探头）和炮点在隧道左右边墙的位置，接收器和炮点位置应在同一高度。

⑷设置采集参数：采集参数主要包括采样间隔1∕32，时窗长度700，通道数12。

3.1.2 根据速度曲线图和地质构造偏移成像图（见图5）判断围岩级别

图5 构造偏移成像Fig.5 Structural Migration Imaging

速度高表明围岩硬整体性好，速度低表明围岩软弱破碎。地质构造偏移图像红色部分代表岩石由软变硬。蓝色部分代表岩石由硬变软。先蓝后红代表由硬变软再变硬，反映了断裂带的特性［4］。根据TST探测成果对围岩分级的部分成果如表1所示。

表1 该隧道左幅根据TST探测成果的围岩分级（部分）Tab.1 Classification of Surrounding Rock Based on TSP Detection Results for the Down Line of the Tunnel（Partial）

据统计，左幅Ⅱ类围岩约占15%，Ⅱ～Ⅲ级围岩约占11%，Ⅲ级围岩约占60%，Ⅲ～Ⅳ级围岩约占7%，Ⅳ级围岩约占8%；右幅Ⅱ级围岩约占20%，Ⅱ～Ⅲ级围岩约占7%，Ⅲ级围岩约占52%，Ⅳ级围岩约占21%。统计表明隧道中Ⅲ级围岩站主要多数，其余的为Ⅱ级和Ⅳ级。因此采取TST 技术对围岩分级和设计阶段的围岩分级一致性较多，但是也存在明显差异。

3.2 依据超前水平钻孔的围岩分级

以左幅ZK94+230～ZK94+250为例。

3.2.1 隧道开挖掌子面围岩特征

利用罗盘测得掌子面处软弱结构面产状，对掌子面岩性、强度、风化程度、节理裂隙组数、地下水等作出资质描述［4］（见图6）。

图6 隧道施工掌子面素描Fig.6 Sketch of Tunnel Construction Face

从ZK94+230 掌子面处的围岩（见图7）表现为细粒结构的炭质板岩，岩体呈现碎裂结构，裂隙水丰富。岩体节理缝间被泥质、钙质和有机质填充，存在充填物被水影响，发生软化流失的可能，围岩稳定性较差。该段隧道原先设计描述为：岩性为炭质板岩，岩体较破碎稳定性差，属于落石高发区，定为Ⅲ级围岩。支护类型为Va，三台阶临时仰拱法。根据掌子面地质状况和裂隙水的影响，原设计与实际地质描述区别较大，重新判断掌子面围岩类别属于Ⅳ级。

图7 ZK94+230掌子面Fig.7 ZK94+230 Face

3.2.2 钻进情况

在掌子面共布置了3个水平钻孔，钻进现场记录到的钻进情况如表2 所示，1 号钻孔每钻进2 m 所用时间与距掌子面距离的关系曲线如图8所示。

表2 钻进现场记录到的钻进情况（部分）Tab.2 Drilling Conditions Recorded at the Downstream Drilling Site（Partial）

图8 1号钻孔每钻进2 m所用时间与距掌子面距离的关系曲线Fig.8 Relationship Curve between the Time Taken for Drilling Every 2 m of No.1 Borehole and the Distance from the Tunnel Face

在钻进过程中发现：该地段钻速、岩渣和钻进情况变化频繁，其中ZK94+230～ZK94+250 段围岩整体性较好，而ZK94+235～ZK94+240 段 围岩围岩整体性较差，岩石大多破碎，地下水丰富，并且ZK94+240～ZK94+245 段有部分呈泥质结构。根据液体颜色、隧道围岩、掌子面的岩性判断前方20 m 内为细粒状炭质板岩。依据这些特征将掌子面前方20 m 内的围岩类别判定为Ⅳ类。

3.3 依据监控量测资料的围岩分级

通过监控量测的结果，一是检验设计和施工参数是否科学恰当，二是判断围岩级别，为二衬施工和前方岩石的挖掘和开凿、采取的超前支护形式提供有益的参考。

3.3.1 监控量测项目

隧道的拱顶下沉、周边位移和锚杆抗拔力试验的量测结果应用于3 个方面［5］：①对现场施工做出科学指导；②对隧道设计是否符合实际做出核验；③对围岩的稳定和初期支护的稳定是否满足要求做出评价。3.3.2 监控量测点的布置及监测结果的分析（以ZK93+202为例）

检测点布置如图9所示，因篇幅受限，本文仅分析接触压力。通过埋设的50 个压力盒读取2 个数据：①初衬和围岩相互作用产生的接触压力；②初衬与二衬相互作用产生的接触压力。绘制图表得到其变化规律，从而掌握围岩性状来指导施工。由图10可知大部分曲线变化是趋向于平缓，这表明初衬与二衬之间的相互作用逐渐变为稳定。由此判断未来所测数据将保持稳定，变化不大。

图9 检测点布置Fig.9 Layout of Inspection Points

图10 隧道左幅ZK93+202断面围岩和初衬间接触压力-时间曲线ⅣFig.10 Contact Pressure Time Curve between Surrounding Rock and Primary Lining of ZK93+202 Section on the Left of Tunnel

3.4 依据监控量测资料的围岩分类

隧道开挖后，不同级别的围岩，其应力变化时间的快慢、松动范围、施加在衬砌上的荷载值都不同［6］。通过接触压力的分析，提出依据监控量测对围岩重新分级的两个参数作为标准：①初衬和围岩的接触压力接近稳定时所用时间；②初衬和围岩的相互作用产生接触压力的变化率。

绘制不同围岩级别的接触压力变化率图（见图11）。可知，Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩压力从量测到接近稳定分别需要约40 d、70 d、100 d，上下偏差均约50 d。在接触压力稳定之前，围岩等级不同，变化速率不同。Ⅱ级变化率较小，Ⅳ级变化率较大，Ⅲ级变化率界于Ⅱ级和Ⅳ级之间。

图11 隧道左幅ZK93+202左边墙围岩与初衬间接触压力与时间的关系曲线（Ⅱ类围岩）Fig.11 Contact Pressure between Surrounding Rock and Primary Lining of ZK93+202 Left Wall of Tunnel Relation Curve with Time（Class ⅡSurrounding Rock）

对比围岩与初衬之间的接触压力数值的变化、岩土变化特征和实际的围岩级别，发现该种分类方法更符合施工实际情况，基于上述研究结论对围岩进行的分级能很好的对隧道现场施工进行指导。

4 施工过程围岩分级与设计阶段分级的对比

部分对比结果如表3所示。根据不同围岩分类技术得到的围岩分类结果进行对比分析（见表4）。

表3 施工揭露围岩级别（部分）Tab.3 Grade of Surrounding Rock Exposed during Construction （Partial）

表4 左幅设计阶段、TSP探测、现场开挖的围岩级别比较Tab.4 Comparison of Surrounding Rock Grades in Left Design Stage，TSP Detection and Site Excavation

5 结论

围岩分级从设计阶段到施工阶段采用的TST 技术探测、超前钻孔逐步精细化，结果越来越准确，三者既有对应性也有差别性［7］。这一问题的出现，不完全是由探测仪器系统引起，而是由技术和人为因素共同影响。

通过依托工程的现场探测和监控量测，总结出了新的围岩分级方法并应用到该工程中，得出如下结论：

⑴设计阶段的隧道围岩分级是根据勘查结果进行的，它主要对指导设计和招投标具有指导意义。

⑵由于TST 探测围岩分级时，距离较短［8］，因而结果更符合实际岩性，利用该结果应用于隧道设计和施工，结果准确可靠，但是精度仍然欠缺。

⑶当采用超前水平钻孔时，通过钻进过程中发生的现象，总结出如下结论：

①钻空速度正常、卡钻、吃钻分别表示岩体较为完整且节理少、围岩破碎程度较大、岩层变化明显。且岩层变化趋势是从坚硬层进入软弱层［9］。

②岩性的反映可以通过钻进过程流出的不同液体颜色来区别［10］。

③岩石的软弱、破碎和坚硬、完整可以通过从钻孔中冲出的岩粉粗细来区分。

④岩体中裂隙大小的发育程度可以通过钻孔中出水量的大小来判断。

⑤岩石的软硬程度可以通过钻进速度快慢来判别。

⑷开挖隧道后，围岩的应力调整时间、松动范围以及施加在衬砌上的荷载大小都与围岩级别有关。监测数据反映：对高等级的围岩，它与初衬之间的接触压力接近稳定耗时短，反之，则耗时长。接触压力接近稳定之前，其变化速率小，反之，则变化速率大。