軟弱圍巖隧道超前預報和監控量測及質量檢測

1 概述

軟弱圍巖隧道，施工條件困難，若遇到埋深淺的情況，更需要制定切實可行的施工技術方案，謹慎掘進，以保證隧道施工安全和質量，確保施工進度。在隧道施工期間施行超前地質預報、監控量測和質量檢測是隧道重大風險事故控制的有效手段，是加強工程安全質量管理，防止重大事故發生的有力措施，在隧道施工中必須堅決的貫徹執行。

塔韓鐵路全線有兩座隧道:張家渠隧道和趙家灣隧道，隧址所處的地貌單元為低山丘陵區，隧道行經地帶植被稀疏，多為固定、半固定沙地覆蓋。隧道工點范圍內出露的地層為第四系全新統風積粉細砂層(Qeol4)、細砂層(Qel+dl4)，下伏地層巖性為白堊系下統砂巖(K1)。本區地下水類型為基巖孔隙、裂隙水，主要含水地層為基巖風化層。地下水主要儲存于巖石孔隙及裂隙內。全線隧道地質條件差，埋深淺，圍巖基本上以Ⅴ級圍巖為主。

根據設計，Ⅴ級加強圍巖初期支護采用C25噴射混凝土，厚23 cm;格柵鋼架閉合環，間距100 cm;二襯厚度40 cm，C30鋼筋混凝土結構。

2 超前地質預報

超前地質預報可及時提供隧道掘進方向前方的地質及含水性情況，進行圍巖工程級別劃分，讓施工單位能夠根據前方地質情況制定相應的施工方案和防范措施，確保施工的順利進行;為設計變更提供工程地質依據;同時為業主動態掌握隧道整體施工情況，加強安全質量管理提供了有力保障。

2．1 超前地質預報設計

整體而言，塔韓鐵路隧道巖性單一，根據《鐵路隧道超前地質預報技術指南》(鐵建設［2008］105號)規定和地質災害對隧道施工安全的危害程度，本線隧道地質復雜程度分級可定為中等復雜:隱伏裂隙發育帶、軟弱帶，存在中、小型突水突泥地段，較大物探異常地段等。據此確定超前地質預報設計:采用地質分析法、中長距離地震波法、地質雷達，輔以紅外探測［1］。

隧道進洞階段采用地質雷達預報為主，該方法是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同來判斷前方傳播介質的變化。介質介電常數的差異決定了電磁波反射的強弱程度和其相位的正負。巖性、構造、風化程度及其含水量的變化將影響其介電常數。

地質雷達預報選用美國SIR-3000型地質雷達，100 MHz天線采集參數為:采集方式為連續測量，每掃描采樣數為512，采集時窗為350 ns，采用64次迭加，設定介電常數為6。

2．2 地質雷達超前預報

下文通過對于趙家灣隧道出口端掌子面DK63+010的超前預報，描述地質雷達法超前預報過程。隧道設計施工圖中該段巖性(DK63+010～DK62+985)為全風化和強風化細砂巖，局部有風積砂，圍巖級別為Ⅵ級。

掌子面地質情況:圍巖為細砂巖，褐黃色，全～強風化，層理節理發育，結合性差，巖體破碎，巖質極軟弱，遇水泥化，局部裂隙水發育，完整性差，Ⅴ級圍巖。

測線布置:掌子面DK63+010垂直和水平各布置1條測線，重復采集2次，探測掌子面前方25 m范圍內的地質變化狀況。

根據地質雷達在掌子面探測數據圖像分析，掌子面前方25 m(DK63+010～DK62+985)范圍內電磁波反射波明顯，振幅大，同向軸連續，右側區域高頻衰減明顯，推測前方圍巖分層明顯，巖體軟弱破碎，層理節理發育，局部裂隙水發育，巖體完整性差。

據此，可以推定掌子面DK63+010前方25 m范圍內(DK63+010～DK62+985)，圍巖級別為Ⅴ級，建議按Ⅴ級圍巖施工，必要時加強超前支護。

2．3 超前預報建議

根據超前預報結果和現場地質調查建議:進洞時應注意施工工序，采用三臺階開挖法，謹慎掘進;開挖過程嚴格遵循“管超前、短開挖、嚴注漿、弱爆破、強支護、勤量測、早封閉、快襯砌”的施工原則;管棚施工中請注意控制管棚施工質量，特別注意控制插入仰角。施工中控制超欠挖，必要時加強超前支護，開挖后及時進行錨噴支護，確保噴層質量和鎖腳錨管施工質量。重視裂隙水危害，積極引排，防止基底泡水，軟化，必要時設置臨時仰拱。

3 監控量測

在隧道施工期間實施監測，引入監測制度，是加強工程安全質量管理，防止重大事故發生的有力措施。通過監測工作為業主提供及時、可靠的信息用以評定隧道工程在施工期間的安全性，并對可能發生危及安全的隱患或事故及時、準確地預報，以便及時采取有效措施，避免事故發生的同時指導設計和施工，實現“動態設計、動態施工”的根本目的。

3．1 量測項目和測點布置

本項目主要進行四個必測項目:1)洞內、外觀察;2)拱頂下沉;3)周邊收斂;4)地表沉降。

周邊位移每臺階布置1條收斂測線，本線隧道進洞階段采用三臺階開挖，周邊收斂布置3條測線，拱頂下沉每個斷面布置1個～3個測點，測點布置里程一致，地表下沉每斷面布置7個～9個測點。周邊收斂可采用兩種方法進行:1)鋼尺收斂計直接讀數;2)測點位置粘貼放光片，全站儀非接觸量測。拱頂下沉采用粘貼放光片，全站儀非接觸量測。地表下沉采用水準儀器配測微器進行。

隧道監控量測貫穿整個施工過程，重點主要為三個方面:1)根據開挖情況緊跟開挖面埋設測點;2)根據圍巖特點，重點對上臺階水平收斂測線和拱頂下沉進行量測;3)關注監測斷面相應的下臺階及仰拱開挖對收斂和拱頂下沉的影響。

3．2 隧道穩定性判別標準

根據規范和設計文件確定隧道穩定性判別標準。

1)實測最大值或回歸預測值最大值應不大于允許值或設計最大值，根據設計文件Ⅳ級圍巖預留變形量為5 cm～8 cm，Ⅴ級、Ⅵ級圍巖預留變形量為8 cm～12 cm。

2)根據位移速率判別:當周邊位移速率小于0．10 mm/d～0．20 mm/d時或拱頂下沉速率小于 0．07 mm/d～0．15 mm/d時，則認為圍巖位移達到基本穩定;當周邊位移或拱頂下沉速率大于1．0 mm/d時，表明位移不穩定，應加強觀測;當周邊位移或拱頂下沉速率大于5．0 mm/d時，圍巖處于急劇變化狀態，應報警，進行加固。

3．3 量測過程

趙家灣隧道起訖里程為DK61+160～DK63+085，全長1 925 m，出口端明暗交接里程為DK63+010，出口端6月底管棚施工完成并開始進洞。

洞內、外觀察:圍巖為細砂巖，褐黃色，全～強風化，節理層理發育，結合性差，局部裂隙水發育，巖質極軟弱，完整性差，Ⅴ級圍巖。

1)階段一:上臺階開挖，量測結果基本正常，量測數據未超過規范和設計值規定。

周邊收斂速度為 －0．74 mm/d～ －1．40 mm/d，其中監測斷面DK63+000(L1)累計收斂最大為 －14．42 mm，拱頂下沉速度為－0．91 mm/d～ －1．13 mm/d，監測斷面 DK63+005 累計下沉最大為－12．7 mm。地表監測斷面DK63+000中樁D4點下沉速度為 －0．40 mm/d ～ －1．50 mm/d，累計下沉 －14．7 mm。

2)階段二:7月下旬下臺階開挖，量測結果變化明顯，量測速度多日超過－1．00 mm/d，初期支護出現裂縫。

監測區域中臺階DK63+007～DK62+988右側發現有多條沿拱架可見裂縫，DK62+996左側發現沿拱架裂縫，監測區域DK63+006～DK62+995有沿拱架滴滲水。

監測區域DK63+010～DK62+985周邊收斂速度最大達到－2．11 mm/d，拱頂下沉速度最大為 －1．82 mm/d，地表下沉監測斷面DK63+000邊樁D5點下沉速度最大為－1．40 mm/d，量測數據變化明顯，量測速度多日超過－1．00 mm/d。

基于此，發布監控預警指令，掌子面停止掘進，洞口段圍巖支護進行注漿加固。

3)階段三:7月底，掌子面停止掘進，初期支護裂縫區域小導管注漿加固，量測數據變化趨緩。

7月底對洞口段初期支護進行注漿加固。采用φ42注漿花管，注漿材料為水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力0．6 MPa ～1．0 MPa。

監控量測表明:注漿加固后，量測數據變化趨緩，監測區域DK63+010～DK62+985收斂速度為 －0．38 mm/d～ －1．34 mm/d，其中監測斷面DK63+000(L1)累計收斂最大為－22．01 mm，拱頂下沉速度為 －0．46 mm/d～ －1．16 mm/d，其中監測斷面 DK63+005累計下沉最大為－25．9 mm。地表監測斷面DK63+000中樁D4點下沉速度為 －0．40 mm/d ～ －1．30 mm/d，累計下沉 －23．1 mm，地表未見異常。

4)階段四:8月，仰拱閉合，及時進行二襯施工。

監測表明:隨下臺仰拱開挖，量測數據變化，監測區域DK63+010～DK62+985收斂速度為 －0．49 mm/d～ －1．37 mm/d，其中監測斷面DK63+000(L1)累計收斂最大為－24．75 mm;拱頂下沉速度為 －0．20 mm/d～ －1．50 mm/d，其中監測斷面 DK63+005累計下沉最大為－28．8 mm。地表監測斷面DK63+000中樁D4點下沉速度為 －0．2 mm/d～ －0．80 mm/d，累計下沉 －26．6 mm。量測數據變化正常。

至8月底，隨仰拱閉合，量測曲線變化趨緩，同時考慮到隧道局部裂隙水發育，初期支護開裂，為避免因初期支護存留時間太長，圍巖支護不穩定，導致支護變形量大，出口端進行二襯施工。

4 質量檢測

隧道襯砌質量檢測主要對新建隧道的襯砌厚度、襯砌及支護后面空洞，襯砌內部鋼架(或格柵)、鋼筋分布等項目進行檢測。隧道襯砌質量檢測是對施工質量的合理評價，是保證施工質量和工程竣工驗收的重要手段。根據檢測結果，通過比較相關規范和設計要求對隧道施工質量進行合理評價，并為處置病害提供依據。

4．1 檢測結果評定標準和判別主要特征

1)襯砌厚度檢測。由于地質雷達法檢測襯砌厚度存在±10%的理論誤差，檢測中以區段的實測平均值與設計值進行比較，判定隧道襯砌厚度是否達到設計要求［3］。

2)鋼筋、鋼架檢測。隧道襯砌施工中，對某些軟弱圍巖段架設金屬構件，提高襯砌的承載能力和襯砌的抗壓強度、韌性。金屬構件主要包括鋼架、鋼筋和鋼筋網等，金屬構件的間距、位置以及它們與圍巖接觸關系，一直是建設和施工監理部門特別關注的質量問題，金屬構件的間距偏大與變形等，都會不同程度地降低襯砌支撐能力，引發質量隱患。

鋼筋安裝允許±10 mm(拱部)或±20 mm的間距誤差;鋼架間距允許的偏差為±100 mm［3］。

襯砌內部鋼架、鋼筋位置分布的主要判定特征應符合下列要求:

a．鋼架:分散的月牙形反射信號;b．鋼筋:連續的小雙曲線形強反射信號。

實測數據處理時，在連續相同設計間距區段內累計鋼筋或鋼架數量，除以區段的長度，得到鋼筋或鋼架間距。鋼筋以間距值進行評判，鋼架以榀/米進行評判。

3)襯砌背后回填情況檢測。襯砌脫空分為兩種類型，即襯砌內部空洞和襯砌與圍巖脫空。隧道襯砌施工中，振搗不均勻、回填不徹底或回填雜物，都會產生不密實，因振搗不均勻引起的不密實，稱灌注不密實;因回填不徹底或回填雜物引起的不密實，稱回填不密實。前者多發生于襯砌內部，后者多發生于襯砌背部。

襯砌內部積水和襯砌背部圍巖含水，都會對隧道襯砌質量造成影響。襯砌內部積水不但對襯砌層具有溶蝕作用，而且還會在冬季結冰，體積膨脹，擠壓甚至擠壞襯砌層;襯砌背部含水，無論是溶洞水還是構造水，對襯砌層都具有沖刷、溶蝕作用，嚴重時還會導致襯砌變形、破裂和坍塌等。

依據《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》的規定，襯砌背后回填密實度的主要判定特征應符合下列要求:

a．密實:信號幅度較弱，甚至沒有界面反射信號;b．不密實:襯砌界面的強反射信號同軸呈繞射弧形，且不連續，較分散;c．空洞:襯砌界面反射信號強，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大［4］。

實測時按不密實、積水、空洞(脫空)及模板間脫空四種類型，給定襯砌背后回填缺陷情況。

4．2 檢測方法及過程

隧道質量檢測以地質雷達法為主，檢測儀器采用美國GSSI公司生產的SIR-3000型地質雷達，配屬天線400 MHz，900 MHz。

雷達檢測測線以縱向布置為主，包括拱頂測線一條，左右拱腰和拱腳各一條，仰拱測線一條，共6條測線。考慮到要檢測圍巖情況，測試中以400 MHz天線為主，局部襯砌病害檢測采用900 MHz天線。在檢測中，應根據檢測情況適當增加測線密度和橫向布線以控制異常位置，來確保檢測精度和準確性。除邊墻和仰拱測線人工可直接操作外，其余測線的測量必須通過鏟車焊接檢測平臺配合。

4．3 檢測結論

雷達檢測數據必須經過有效的數據處理。通過切除首尾段、方向調整等工作，根據分析處理目的對有效數據進行譜分析、濾波(壓制干擾信號，提高數據的信噪比)、反褶積(壓制多次反射波，提高信號分辨率)和小波變換(增強相關性較好的弱信號)，反復使用不同參數進行處理，達到層位、缺陷清晰可見的效果。然后根據介電常數，確定襯砌厚度，進行缺陷分析等工作，最終輸出成果。

根據施工進度，塔韓鐵路全線張家渠隧道和趙家灣隧道實時進行初期支護和二次襯砌質量檢測，檢測結果表明:1)根據隧道襯砌厚度實測結果分析，隧道檢測段二次襯砌的波阻特征連續，襯砌厚度基本符合設計要求。2)本次隧道檢測段二襯和初期支護鋼筋、鋼筋網和鋼架分布符合設計要求。

5 結語

塔韓鐵路全線的兩座隧道地質條件差，圍巖軟弱，埋深淺，施工風險等級高，在施工開始前就將超前預報、監控量測和質量檢測引入了整個施工過程，視作正常施工工序的一部分，檢測成果實時反饋，有力指導了施工，目前兩座隧道施工安全有序，質量可控。根據檢測成果，可以得出以下結論:

1)軟弱淺埋圍巖隧道應堅持“管超前、短開挖、嚴注漿、弱爆破、強支護、勤量測、早封閉、快襯砌”的施工原則，注意鎖腳錨管施工質量，控制超挖，開挖后及時進行錨噴支護，確保噴層質量。同時仰拱應盡早閉合，二襯及時跟進。

2)超前預報、監控量測和質量檢測是確保隧道施工安全和質量，保證施工進度，降低施工風險的有力措施，應貫穿隧道施工的整個過程。

［1］鐵建設［2008］105號，鐵路隧道超前地質預報技術指南［S］．

［2］TB 10121-2007，鐵路隧道監控量測技術規程［S］．

［3］TB 10417-2003，鐵路隧道工程施工質量驗收標準［S］．

［4］TB 10223-2004，鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程［S］．