隧道施工中圍巖與初期支護(hù)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

王 睿，康 辰

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710032;2.陜西省公路勘察設(shè)計(jì)院 橋梁隧道設(shè)計(jì)研究所，西安 710068)

在隧道工程中，由于巖體的復(fù)雜性，使得前期勘察所獲得的地質(zhì)資料和隧道開挖后實(shí)際暴露出的情況可能會(huì)有較大的出入，所以在施工過程中對(duì)開挖面附近的巖石性質(zhì)、開挖支護(hù)狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)就顯得尤為重要。實(shí)踐證明，掌子面地質(zhì)狀況、開挖面附近初期支護(hù)狀態(tài)以及洞外地表的監(jiān)測(cè)，對(duì)于直接判斷圍巖的穩(wěn)定性、預(yù)測(cè)掌子面前方地質(zhì)條件和優(yōu)化支護(hù)參數(shù)不僅十分重要而且必不可少。

1 圍巖與初期支護(hù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

隧道圍巖與初期支護(hù)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括掌子面、開挖后沒有支護(hù)的圍巖、開挖后已經(jīng)進(jìn)行初期支護(hù)的圍巖和洞外地表性狀等方面。表1列出洞內(nèi)外監(jiān)測(cè)的具體內(nèi)容。

2 圍巖與初期支護(hù)的監(jiān)測(cè)及信息反饋

在對(duì)隧道圍巖地質(zhì)狀況與初期支護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)隧道圍巖、初期支護(hù)及洞口邊坡存在不良現(xiàn)象。必須對(duì)這些監(jiān)測(cè)信息加以分析再反饋到施工中去。

2.1 掌子面地質(zhì)狀況監(jiān)測(cè)與信息反饋

地質(zhì)觀測(cè)在每循環(huán)爆破后在掌子面進(jìn)行，由技術(shù)人員監(jiān)測(cè)掌子面的巖性、巖體結(jié)構(gòu)、巖層產(chǎn)狀、有無地質(zhì)構(gòu)造、地下水發(fā)育情況等，并作詳細(xì)記錄。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)圍巖穩(wěn)定性做出綜合評(píng)價(jià)。利用地質(zhì)素描和巖層產(chǎn)狀，對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測(cè);每隔10 m左右用數(shù)碼相機(jī)記錄掌子面的巖性與節(jié)理等地質(zhì)信息，將這些影像資料進(jìn)行整理加工，一方面可用于掌子面前方的地質(zhì)預(yù)測(cè)，另一方面可作為隧道穿越地層的客觀記錄而長(zhǎng)期存檔，為隧道的后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)提供資料。

表1 洞內(nèi)外監(jiān)測(cè)內(nèi)容一覽

1)地質(zhì)構(gòu)造觀察與信息反饋

地質(zhì)構(gòu)造是造成隧道圍巖失穩(wěn)的最主要原因，是隧道洞內(nèi)觀察最重要的一環(huán)。通過對(duì)掌子面地質(zhì)情況的描述和觀察可對(duì)失穩(wěn)情況進(jìn)行定性的預(yù)測(cè)。由地質(zhì)構(gòu)造造成的隧道失穩(wěn)大體有以下三種形式(從塊度來說)，即楔體失穩(wěn)、層狀剝離及松散體失穩(wěn)。

①楔體失穩(wěn)發(fā)生的原因從巖體單元的性質(zhì)來看，主要是由于圍巖節(jié)理間的互相切割，形成大小不一的楔形體。當(dāng)出現(xiàn)節(jié)理走向交錯(cuò)切割時(shí)，應(yīng)及時(shí)提醒建設(shè)單位進(jìn)行支護(hù)方式的變更，采取短進(jìn)尺、及時(shí)噴錨和掛鋼筋網(wǎng)等措施，必要時(shí)采取加長(zhǎng)錨桿支護(hù)。

②層狀剝離失穩(wěn)的原因主要是由于圍巖節(jié)理發(fā)育，且層間結(jié)合力差，隧道開挖后極易發(fā)生順層滑動(dòng)。當(dāng)確定易發(fā)生層狀滑動(dòng)時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行信息反饋，建議施工方采用錨桿進(jìn)行爆破前的超前支護(hù)，同時(shí)優(yōu)化錨桿的打入角度，必要時(shí)架設(shè)鋼拱架。

③松散體失穩(wěn)是隧道施工中最常見的一種失穩(wěn)。引起松散體失穩(wěn)大體有以下三種情況:一是隧道埋深較淺且小于風(fēng)化殼厚度，這時(shí)掌子面巖石結(jié)構(gòu)面發(fā)育，地表水沿山體破碎的巖縫、節(jié)理滲透到圍巖中，對(duì)巖石侵蝕強(qiáng)烈，使得巖石風(fēng)化程度加深，工程力學(xué)性質(zhì)下降;二是當(dāng)兩種巖體性質(zhì)差別較大的巖石相接觸，且?guī)r體結(jié)構(gòu)面發(fā)育時(shí)，容易形成不穩(wěn)定巖體;三是當(dāng)巖石經(jīng)歷了長(zhǎng)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，力學(xué)性質(zhì)已發(fā)生較大的衰減，特別是經(jīng)歷了“先壓后張”的圍巖，尤其要注意。出現(xiàn)松散體失穩(wěn)情況后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行信息反饋，提出緊急應(yīng)對(duì)措施，防止發(fā)生隧道塌方。

此外，進(jìn)行洞內(nèi)監(jiān)測(cè)時(shí)，還應(yīng)學(xué)會(huì)充分利用現(xiàn)場(chǎng)各種條件，比如隧道掘進(jìn)時(shí)由于鉆機(jī)在通過完整性、節(jié)理發(fā)育程度或地下水發(fā)育程度不同的圍巖時(shí)，表現(xiàn)出不同的速度和難易程度，通過對(duì)這些速度進(jìn)行對(duì)比，綜合考慮巖屑的顏色和氣味，來定性評(píng)價(jià)掌子面前方圍巖的穩(wěn)定情況。

2)水文地質(zhì)的觀察與信息反饋

隧道內(nèi)的水是對(duì)山嶺隧道施工和運(yùn)營(yíng)后的維護(hù)有重大影響的因素之一。隧道施工時(shí)發(fā)生的涌水可以造成軟巖的軟化、促進(jìn)破碎帶和裂隙剝離粘土及無凝聚力圍巖的流動(dòng)化，從而造成土壓增大、側(cè)壁崩塌、圍巖流變和掌子面坍塌等不良后果。因此，掌子面地質(zhì)觀測(cè)的另外一個(gè)重點(diǎn)就是水的問題。

根據(jù)水的危害性，大體上來說應(yīng)從以下四個(gè)方面加強(qiáng)觀測(cè)，即水源、水量、水分和水的位置。

水源，即要通過涌水段地貌、巖性，結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)資料觀察分析水的來源為裂隙水還是地下水。水量較大的裂隙水會(huì)降低圍巖的內(nèi)摩擦角，造成細(xì)粒流失，危及掌子面的自穩(wěn)性。

水量，大體上可以分為滴水(水量 ＜0.04 L/s·m)、線狀(水量在 0.04 ～0.20 L/s·m)和股狀(水量＞0.20 L/s·m)等3個(gè)等級(jí)。當(dāng)水量較小，對(duì)隧道開挖影響不大時(shí)，只須進(jìn)行正常的地質(zhì)素描;當(dāng)隧道內(nèi)的水量過大時(shí)(成股狀以上)，必須進(jìn)行信息反饋，提出施工建議。

水分，即水的成分。通過水的成分分析，一方面確定水對(duì)圍巖的腐蝕性;另一方面確定是否會(huì)出現(xiàn)圍巖遇水軟化現(xiàn)象等。滲水較濁且還有巖層中的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，說明水對(duì)圍巖具有強(qiáng)腐蝕性或是由于它的存在使巖石出現(xiàn)遇水軟化現(xiàn)象，這時(shí)圍巖穩(wěn)定性會(huì)迅速下降，需立即報(bào)警并采取緊急應(yīng)對(duì)措施。

水的位置，即確定是掌子面涌水、側(cè)壁涌水、還是周邊涌水。掌子面水量較大時(shí)，水會(huì)向支護(hù)底部集中而影響作業(yè)，同時(shí)使底部圍巖劣化造成支護(hù)下沉，產(chǎn)生支護(hù)變異和斷面異常等。側(cè)壁有水時(shí)，噴射混凝土?xí)じ讲涣迹虿荒苁┕ぁＶ苓呌克窃斐墒┕ば蚀蠓档偷闹匾颉?/p>

通過對(duì)地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)之后，可以參照表2提出施工建議。

表2 掌子面地質(zhì)狀況處理措施一覽表

2.2 開挖后未支護(hù)的圍巖監(jiān)測(cè)與信息反饋

洞室開挖后，支護(hù)前的觀察主要是看圍巖的自穩(wěn)時(shí)間及頂板的剝落情況。根據(jù)具體問題參照表3提出施工建議。

表3 開挖后未支護(hù)圍巖處理措施一覽

2.3 開挖后已支護(hù)的圍巖監(jiān)測(cè)與信息反饋

圍巖支護(hù)后的穩(wěn)定性觀察是洞內(nèi)監(jiān)測(cè)的另外一個(gè)主要內(nèi)容，其監(jiān)測(cè)的核心是初次支護(hù)的穩(wěn)定情況。當(dāng)出現(xiàn)初噴開裂、鋼支撐壓屈等初支破壞現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行信息反饋。

初期支護(hù)的破壞情況，大體可以分為以下三種:

1)危險(xiǎn)性不大的破壞:構(gòu)筑仰拱后，在拱肩部位出現(xiàn)的剪切破壞，一般都進(jìn)展緩慢，危險(xiǎn)性不大，特別是當(dāng)拱肩部的剪切破壞面上有錨桿穿過時(shí)，因錨桿的抵抗作用，更不會(huì)發(fā)生急劇破壞。

2)危險(xiǎn)性較大的破壞:構(gòu)筑仰拱前，當(dāng)隧道凈空變位速度收斂很慢且凈空變位量很大時(shí)，拱頂混凝土因受彎曲壓縮而產(chǎn)生的裂隙常常進(jìn)展急劇，時(shí)常伴有混凝土碎片飛散，是一種危險(xiǎn)性較大的破壞。

3)塌方征兆的破壞:拱頂出現(xiàn)對(duì)稱的、可能向下滑落的剪切破壞時(shí)，或側(cè)墻發(fā)生向內(nèi)側(cè)滑動(dòng)的剪切破壞，并伴有底鼓現(xiàn)象時(shí)，這兩種情況都會(huì)引起塌方事故。

對(duì)初期支護(hù)破壞情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)后，根據(jù)反饋信息可以參照表4提出施工建議。

表4 開挖后已支護(hù)圍巖處理措施一覽

2.4 洞口地表穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與信息反饋

隧道在開挖過程中對(duì)周邊環(huán)境也有一定的影響，所以，除了對(duì)洞內(nèi)的地質(zhì)情況需要監(jiān)測(cè)外洞外的地質(zhì)情況，特別是洞口的邊坡穩(wěn)定性，也必須密切監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到邊仰坡有開裂或者滑移，地表有開裂或者塌陷時(shí)，應(yīng)迅速采取應(yīng)對(duì)措施，具體施工方法可參照表5。

表5 洞口邊坡失穩(wěn)處理措施一覽

3 結(jié)語

公路隧道采用信息化施工，即根據(jù)施工過程中對(duì)圍巖和初期支護(hù)的監(jiān)測(cè)信息反饋，及時(shí)采取合理、有效的施工和支護(hù)措施，既保證了結(jié)構(gòu)自身的安全，又確保了施工期間對(duì)周邊環(huán)境的控制和保護(hù)。

［1］劉志剛，趙勇.隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2001.

［2］張子云，田遠(yuǎn)平.新奧法監(jiān)控量測(cè)在梅嶺隧道工程中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，1988，14(2):39-43.

［3］萬利.高速公路隧道施工監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

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