優(yōu)化掌子面編錄系統(tǒng)在隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用

陳小強(qiáng)，楊昌盛，王宇斌

中建市政建設(shè)有限公司，北京 100073

0 引言

隧道施工中，實(shí)際圍巖狀況與原設(shè)計不符的現(xiàn)象是屢見不鮮的。如果不能及時的對掌子面前方地層情況進(jìn)行預(yù)測，一味地按照設(shè)計圍巖級別進(jìn)行開挖支護(hù)，很容易造成施工中掌子面塌方，不僅延誤了工期，也給工程質(zhì)量造成一定的影響，因此施工過程中對掌子面前方地質(zhì)狀況預(yù)報的重要性日益顯露出來[1]。掌子面編錄法是對開挖后隧道掌子面的地質(zhì)狀況在現(xiàn)場調(diào)查，并進(jìn)行編錄，采集必要的數(shù)據(jù)。包括對掌子面地層巖性、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理產(chǎn)狀及間距、斷層面產(chǎn)狀、條帶狀不良地質(zhì)體、溶洞等進(jìn)行詳細(xì)編錄，依據(jù)掌子面揭露的不良地質(zhì)體產(chǎn)狀、單壁始見位置，通過一系列三角函數(shù)運(yùn)算，求得該條帶狀不良地質(zhì)體在隧道兩壁上下和拱頂?shù)倪吔缥恢茫嬎闫溆绊懙乃淼篱L度[2]。本文依托某高速公路隧道的施工，對傳統(tǒng)的掌子面編錄法進(jìn)行優(yōu)化，采用圖形延伸法取代了三角函數(shù)的運(yùn)算，使得掌子面現(xiàn)場描述更加簡潔，隧道地質(zhì)信息具備直觀性和連續(xù)性，可以更好地為隧道地質(zhì)預(yù)報進(jìn)行服務(wù)。

1 掌子面編錄系統(tǒng)介紹

1.1 信息采集及錄入

掌子面地質(zhì)信息的采集是建立隧道地質(zhì)信息的基本要素。根據(jù)隧道施工的特點(diǎn)，每次開挖后在現(xiàn)場對掌子面進(jìn)行描繪記錄，具體要求編錄的信息包含：工程名稱、樁號、日期、時間、掌子面素描圖。然后將掌子面素描圖在電腦中進(jìn)行重新繪制，再按照樁號將掌子面觀察記錄登記到數(shù)據(jù)庫中（如圖1所示）。

圖1 信息采集編錄流程

1.2 生成地質(zhì)展開圖

通過數(shù)據(jù)庫中的掌子面信息，生成并輸出掌子面地質(zhì)展開圖（如圖2所示），根據(jù)地質(zhì)展開圖繪制隧道地質(zhì)立體圖（如圖3所示）。

圖2 掌子面地質(zhì)展開圖

圖3 隧道地質(zhì)立體圖

通過以上信息處理，得到連續(xù)的掌子面地質(zhì)展開圖以及隧道地質(zhì)立體圖，為下一步進(jìn)行圖形延伸預(yù)報掌子面前方地質(zhì)情況提供了基本信息。

1.3 地質(zhì)預(yù)報

隧道掘進(jìn)過程中，溶洞、斷層破碎帶、砂礫層等不良地質(zhì)體在出現(xiàn)之前，一般都會出現(xiàn)前兆標(biāo)志，其地質(zhì)體是具有漸變性的[3]，根據(jù)這一理論，在地質(zhì)展開圖及地質(zhì)立體圖中將掌子面向前推進(jìn)一個循環(huán)進(jìn)尺，并將不良地質(zhì)體界線進(jìn)行線性延伸，即可得到掌子面前方3m～4m處地質(zhì)狀況，達(dá)到長期跟蹤短距離預(yù)報的目的。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某高速公路隧道圍巖由第四系全新統(tǒng)殘坡積碎石土及奧陶系下統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r組成。前者屬土質(zhì)圍巖，土質(zhì)不均，分選差，含30%～40%粉質(zhì)粘土中密狀態(tài)，圍巖自穩(wěn)能力差，洞室開挖時易坍塌，成洞困難。后者為石質(zhì)圍巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈中厚層-中薄層狀結(jié)構(gòu)，間夾薄層狀泥質(zhì)條帶灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r，巖溶發(fā)育，溶洞內(nèi)常填充含礫粉砂土，容易發(fā)生較大規(guī)模的塌方，對隧道的開挖支護(hù)施工造成很大的威脅。

2.2 隧道溶洞預(yù)報及處理

本隧道施工中采用掌子面信息編錄系統(tǒng)對隧道地質(zhì)進(jìn)行短距離預(yù)報，以及時進(jìn)行開挖方式的調(diào)整，并根據(jù)不良地質(zhì)體的情況及時進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的變更。在現(xiàn)場跟蹤地質(zhì)編錄過程中，ZK6+986掌子面左側(cè)拱腰處出現(xiàn)一處含礫石粉砂夾層，夾層稍濕，礫石平均粒徑10～15cm，夾層尺寸約為0.5m（高）×1m（寬），ZK6+989掌子面處夾層發(fā)展擴(kuò)大為2m×3m，且夾層位置向拱頂發(fā)展（掌子面地質(zhì)展開如圖4所示），開挖后有砂礫流出現(xiàn)象。

圖4 ZK6+986、ZK6+989處掌子面地質(zhì)展開圖

通過掌子面信息編錄系統(tǒng)對ZK6+992掌子面地質(zhì)圖進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果如圖5所示，顯示ZK6+992拱頂左側(cè)將出現(xiàn)一個較大溶洞。

圖5 ZK6+992掌子面預(yù)測地質(zhì)圖

此段設(shè)計圍巖級別為Ⅲ級，臺階法開挖，每次開挖進(jìn)尺3～3.5m，初期支護(hù)參數(shù)為每環(huán)17根B22全螺紋早強(qiáng)藥包錨桿，A8鋼筋網(wǎng)，I12.6鋼拱架支撐，拱架間距1.2m，噴C25混凝土18cm。根據(jù)掌子面地質(zhì)展開圖繪制出地質(zhì)立體圖，并按照線性延伸溶洞邊界線，預(yù)測到掌子面前方拱頂左側(cè)將出現(xiàn)一處大溶洞，爆破后可能出現(xiàn)塌方。

處理措施為：1）對ZK6+989掌子面夾層處進(jìn)行噴射混凝土封閉；2）對預(yù)測溶洞處打設(shè)3.4m長A42超前鋼管，并注水泥漿；3）每次開挖進(jìn)尺0.8m～1m，開挖后立即對掌子面進(jìn)行噴射混凝土封閉；4）采用I18鋼拱架支撐，拱架間距0.8m。

經(jīng)處理后開挖至ZK6+992掌子面地質(zhì)狀況與預(yù)測圖十分吻合。

3 結(jié)論

1）優(yōu)化的掌子面編錄系統(tǒng)具有地質(zhì)情況連續(xù)表示的優(yōu)勢，能讓隧道施工管理人員更直觀的掌握隧道地質(zhì)情況；

2）本編錄系統(tǒng)可操作性強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理便捷，對施工管理人員的技術(shù)要求低；

3）通過工程實(shí)際的驗(yàn)證，該編錄系統(tǒng)具有很好的地質(zhì)預(yù)報效果，施工管理人員通過掌子面編錄系統(tǒng)的應(yīng)用，對隧道施工具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2003.

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

[3]劉志剛.概論巖溶或地質(zhì)復(fù)雜隧道隧洞地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2003(2)：1-5.