软弱围岩隧道超前预报和监控量测及质量检测

董垠枫,张宏程

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610000）

0 引言

近年来，越来越多的公路项目向山岭重丘区延伸，而为了保证线形的平顺，不可避免地开挖大量隧道。隧道工程施工难度大，尤其是软弱围岩隧道，如果不能在施工期间准确监测变形受力规律，掌握掌子面前方的不良地质分布情况，容易导致塌方、掉块、涌水、突泥等事故，严重的可能造成大量人员伤亡，从而影响施工进度和施工成本[1]。因此，进一步研究软弱围岩隧道的监控量测、超前地质预报及质量检测具有重要的工程价值。

1 工程概况

1.1 建设标准

以某山区高速公路双向四车道隧道为研究对象，探讨了其监控量测、超前地质预报及质量检测方法。该隧道属于中隧道，全长950 m，左线起讫桩号为ZK10+500～ZK11+450，右线起讫桩号为YK10+495～YK11+445，设计荷载为公路I 级，设计速度为80 km/h。

隧道支护方式为复合式衬砌，其中初期支护为注浆锚杆（直径25 mm、长度3 m/根、环向间距1 m）+钢拱架（间距75 cm）+混凝土喷层；二次衬砌为混凝土喷层，隧道施工时采用“新奥法”。

1.2 地质、水文、气象条件

根据施工图勘察报告，隧道围岩以强风化灰岩、泥岩等为主，层间结合差，节理裂隙发育，属于软弱围岩，围岩等级为Ⅴ级。同时，隧道所在区域为温带大陆性季风气候区，四季分明、雨量充沛，年平均气温约16.6 ℃，年平均降水量约785.6～960.8 mm。

2 软弱围岩隧道监控量测分析

2.1 隧道监控量测内容

软弱围岩隧道监控量测就是在开挖期间，采用专门的仪器对围岩和支护结构的变形和受力开展动态监测，以判断隧道设计支护方案是否能够满足施工要求，为支护方案变更和隧道二次衬砌施工提供理论依据。根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018，下简称《规范》），根据重要性不同，可将公路隧道监控量测内容划分为必测项目和选测项目两类，前者包括洞内外观察、拱顶下沉、周边收敛、地表沉降，后者包括杆轴力、围岩压力、钢架内力、围岩弹性波速等，测量方法复杂，测量成本高，一般只在局部危险路段监测[2]。

2.2 隧道监控量测方法

2.2.1 监测仪器

软弱围岩隧道拱顶下沉可采用全站仪或水准仪测量；周边收敛变形可采用全站仪或收敛计测量。需注意，隧道拱顶下沉和周边收敛在测量前要按设计文件要求粘贴反光片。

2.2.2 断面和测点布置

软弱围岩隧道掌子面开挖后，其围岩应力重新分布，并出现变形，且应力和变形在掌子面开挖24 h 内变化较快。为了准确获取隧道围岩变形特征，应在掌子面开挖后尽快布置监测断面和测点，且不能距离掌子面太近，以免爆破作业破坏监测断面。由相关规定可知，必测项目的监测间距应结合围岩等级、施工方法、地质条件等确定。对于Ⅴ级软弱围岩，建议监控量测间距取5～10 m，同时，拱顶下沉监测点宜布置在隧道中心线位置，周边收敛监测点宜对称布置在隧道拱腰附近。此外，各监测点的读数频率应严格遵循设计文件，如设计无明确要求，拱顶下沉和周边收敛在第1～15 d、第16～30 d、第30～90 d 的量测频率可分别取1～2 次/d、1 次/2 d、1～2 次/w。

2.2.3 数据处理

在分析软弱围岩隧道变形特性前，要先将个别明显异常的数据剔除。隧道的监控量测数据的离散型较大，为了准确分析变形量随监测时间的变化规律，可采用数理统计软件（EXCEL、Origin、SPASS 等）中的回归分析函数来推演两者之间的关系，比如双曲线函数、多项式函函数、指数函数等。

2.3 隧道监控量测结果分析

2.3.1 预警标准

为了确保隧道监控量测数据的可用性，需建立相应的预警机制，并给出相应的施工建议。结合相关研究成果，该文给出了如表1 所示的预警机制[3]。

表1 软弱围岩隧道监控量测预警机制

2.3.2 量测结果

该文将该软弱围岩隧道K10+800 断面的监控量测数据导入Origin 软件中分析，如图1 所示。

图1 软弱围岩隧道变形结果

由图1 可知：随着隧道掌子面开挖时间的增加，其拱顶下沉量和周边收敛变形不断增加。当监控量测时间＜15 d，隧道变形速率较快，变形量和时间基本呈线性变化趋势，其中拱顶下沉速率约0.74 mm/d、周边收敛速率约0.53 mm/d；当监控量测时间超过25 d，隧道的拱顶下沉和周边收敛逐渐趋于稳定，隧道管理等级为Ⅱ级，需加强支护。

3 软弱围岩隧道超前地质预报分析

在软弱围岩隧道施工期间，容易遇到各种不良地质，比如溶洞、断裂破碎带等，通过探地雷达法、TGP 法、超前水平钻孔法等超前预报技术能有效识别不良地质分布情况，以便于及时调整施工方案。

3.1 探地雷达预报技术

3.1.1 工作原理

相对于普通雷达，探地雷达是利用发射天线发射的高频宽带电磁波向掌子面前方传播，遇到不同介质后会产生反射波，被接收天线接收，技术人员利用电脑系统对反射波进行处理，具体处理步骤如下：导入数据→1D滤波、校正→能量增益→2D 滤波→反褶积→偏移处理→导出图像。

3.1.2 关键参数选择

介电常数决定了隧道地下介质的电导率，从而影响隧道预报精度，不同地下介质的介电常数和电导率对应关系如表2 所示。

表2 探地雷达介电常数选择

发射天线频率的取值不宜过高，否则难以查明掌子面前方的不良地质。目前，隧道探地雷达常用的发射天线频率有35 MHz、100 MHz、200 MHz，其探测距离约40～50 m、20～25 m、10～12 m。对于软弱围岩隧道，建议探地雷达天线频率取200 MHz。

当探地雷达介电常数和发射天线频率固定后，可利用式（1）来估算其时窗W[4]。

式中，dmax——探测距离（m）；v——电磁波传播速度（m/s）。

3.2 TGP 预报技术

TGP（Tunnel Geophysics Prediction）探测系统由波源、接收器、记录和分析处理等单元组成，其中振源为系统激发地震波，需在隧道左、右两侧均匀地布置若干个炮点，并埋入少量炸药；接收器用于接收反射地震波，记录单元用于收集存储地震波，分析处理单元室一套智能化软件，能快速、准确地输出隧道超前预报结果，具体检测原理如图2 所示。TGP 技术的关键是确定炮点间距L，L值过大会减小同一有效波辨认可靠性，反之，有效反射波段会缩短。结合相关研究成果，炮间距最大值Lmax可按式（2）估算：

图2 TGP 超前预报系统示意

式中，L*——有效波视速度（m/s）；f——有效波频率（Hz）。

相对于探地雷达，TGP 探测系统的一次性预报距离长，可达100～120 m，且探测时间多，对隧道施工影响小，单位长度的预报费用低，一般用于长隧道或特长隧道。

3.3 超前水平钻孔法

超前水平钻孔法是在开挖掌子面上用水平钻机向前钻探，将钻取岩芯进行室内试验，根据试验指标来分析掌子面前方的地质情况。该方法是软弱围岩超前地质预报最直接的方法，但其预报成本高，占用施工时间长，对施工干扰大，在岩体破碎处容易出现卡钻、钻进困难等问题，一般是用于配合探地雷达法或TGP 探测法。

3.4 建议综合超前预报体系

软弱围岩隧道地质情况复杂，以建立综合超前预报体系，即选择两种或两种以上的预报措施相互验证，以提高预报的准确性。软弱围岩隧道综合超前预报体系建立应坚持两大原则：一是以隧道掌子面的地质调查为基础；二是要将物探方法与钻探方法相结合。该文以该隧道的K10+800 断面为基准，首先利用探地雷达探测了其前方地质情况，结果表明：掌子面前方3～5 m 处的反射波较异常，可能有岩溶病害。随后，利用超前钻孔法对岩溶空间分布特征进行了确认，建议及时将岩溶水排水，以免隧道出现突水、涌水等事故。

4 公路隧道质量检测分析

4.1 初期支护轮廓线检测

软弱围岩隧道的初期支护轮廓线检测可利用激光断面仪，其测量原理为极坐标法，具体阐述如下：以水平方向为基准，按一定的角度、距离一次测定仪器旋转中心与隧道开挖轮廓线间的矢径及矢径与水平方向的夹角，随后将矢径端点依次相连，得到实际开挖轮廓线，并与设计轮廓线进行对比，以避免超欠挖情况发生。

4.2 锚杆锚固质量检测

软弱围岩隧道的支护锚杆可以以灌浆饱满度、长度比（实测长度与设计长度的比值）为评价指标，将锚杆质量划分成合格和不合格两个等级，具体评价标准如表3所示[5]：

表3 隧道锚杆质量评价指标

4.3 衬砌混凝土强度

混凝土抗压强度不同，表面硬度也不同，回弹仪打击在混凝土表面上的回弹高度也不同，且三者之间存在一定的比例关系，故可用回弹仪测量混凝土的抗压强度。由《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23—2011）可知，回弹仪有重型和轻型两种。当隧道衬砌混凝土标号低于C50，可采用中型回弹仪，反之，宜采用重型回弹仪，如果条件允许，建议采用自动式或半自动式回弹仪。

5 结语

该文以某山区高速公路软岩隧道为研究对象，分析了其监控量测、地质超前预报及质量检测方法，得到了以下几个结论：

（1）软岩隧道监控量测有必测项目和选择项目，应合理布置监测断面和测点，并建立预警机制。

（2）随着隧道开挖时间的增加，其拱顶下沉和周边收敛均增大，当开挖25 d 后变形达到峰值。

（3）软岩隧道宜坚持物探与钻探相结合的原则，利用探地雷达、TGP、超前水平钻等技术建立综合超前预报体系，准确预报掌子面前方的不良地质。

（4）隧道质量检验应重视初期支护轮廓线、锚杆锚固质量及衬砌混凝土强度等。