優化掌子面編錄系統在隧道地質超前預報中的應用

陳小強，楊昌盛，王宇斌

中建市政建設有限公司，北京 100073

0 引言

隧道施工中，實際圍巖狀況與原設計不符的現象是屢見不鮮的。如果不能及時的對掌子面前方地層情況進行預測，一味地按照設計圍巖級別進行開挖支護，很容易造成施工中掌子面塌方，不僅延誤了工期，也給工程質量造成一定的影響，因此施工過程中對掌子面前方地質狀況預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狀況在現場調查，并進行編錄，采集必要的數據。包括對掌子面地層巖性、巖層產狀、節理產狀及間距、斷層面產狀、條帶狀不良地質體、溶洞等進行詳細編錄，依據掌子面揭露的不良地質體產狀、單壁始見位置，通過一系列三角函數運算，求得該條帶狀不良地質體在隧道兩壁上下和拱頂的邊界位置，計算其影響的隧道長度[2]。本文依托某高速公路隧道的施工，對傳統的掌子面編錄法進行優化，采用圖形延伸法取代了三角函數的運算，使得掌子面現場描述更加簡潔，隧道地質信息具備直觀性和連續性，可以更好地為隧道地質預報進行服務。

1 掌子面編錄系統介紹

1.1 信息采集及錄入

掌子面地質信息的采集是建立隧道地質信息的基本要素。根據隧道施工的特點，每次開挖后在現場對掌子面進行描繪記錄，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行重新繪制，再按照樁號將掌子面觀察記錄登記到數據庫中（如圖1所示）。

圖1 信息采集編錄流程

1.2 生成地質展開圖

通過數據庫中的掌子面信息，生成并輸出掌子面地質展開圖（如圖2所示），根據地質展開圖繪制隧道地質立體圖（如圖3所示）。

圖2 掌子面地質展開圖

圖3 隧道地質立體圖

通過以上信息處理，得到連續的掌子面地質展開圖以及隧道地質立體圖，為下一步進行圖形延伸預報掌子面前方地質情況提供了基本信息。

1.3 地質預報

隧道掘進過程中，溶洞、斷層破碎帶、砂礫層等不良地質體在出現之前，一般都會出現前兆標志，其地質體是具有漸變性的[3]，根據這一理論，在地質展開圖及地質立體圖中將掌子面向前推進一個循環進尺，并將不良地質體界線進行線性延伸，即可得到掌子面前方3m～4m處地質狀況，達到長期跟蹤短距離預報的目的。

2 工程應用

2.1 工程概況

某高速公路隧道圍巖由第四系全新統殘坡積碎石土及奧陶系下統白云質灰巖組成。前者屬土質圍巖，土質不均，分選差，含30%～40%粉質粘土中密狀態，圍巖自穩能力差，洞室開挖時易坍塌，成洞困難。后者為石質圍巖，巖體節理裂隙較發育，呈中厚層-中薄層狀結構，間夾薄層狀泥質條帶灰巖、角礫狀灰巖，巖溶發育，溶洞內常填充含礫粉砂土，容易發生較大規模的塌方，對隧道的開挖支護施工造成很大的威脅。

2.2 隧道溶洞預報及處理

本隧道施工中采用掌子面信息編錄系統對隧道地質進行短距離預報，以及時進行開挖方式的調整，并根據不良地質體的情況及時進行支護參數的變更。在現場跟蹤地質編錄過程中，ZK6+986掌子面左側拱腰處出現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掌子面處夾層發展擴大為2m×3m，且夾層位置向拱頂發展（掌子面地質展開如圖4所示），開挖后有砂礫流出現象。

圖4 ZK6+986、ZK6+989處掌子面地質展開圖

通過掌子面信息編錄系統對ZK6+992掌子面地質圖進行預測，其結果如圖5所示，顯示ZK6+992拱頂左側將出現一個較大溶洞。

圖5 ZK6+992掌子面預測地質圖

此段設計圍巖級別為Ⅲ級，臺階法開挖，每次開挖進尺3～3.5m，初期支護參數為每環17根B22全螺紋早強藥包錨桿，A8鋼筋網，I12.6鋼拱架支撐，拱架間距1.2m，噴C25混凝土18cm。根據掌子面地質展開圖繪制出地質立體圖，并按照線性延伸溶洞邊界線，預測到掌子面前方拱頂左側將出現一處大溶洞，爆破后可能出現塌方。

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

經處理后開挖至ZK6+992掌子面地質狀況與預測圖十分吻合。

3 結論

1）優化的掌子面編錄系統具有地質情況連續表示的優勢，能讓隧道施工管理人員更直觀的掌握隧道地質情況；

2）本編錄系統可操作性強，數據處理便捷，對施工管理人員的技術要求低；

3）通過工程實際的驗證，該編錄系統具有很好的地質預報效果，施工管理人員通過掌子面編錄系統的應用，對隧道施工具有一定的指導意義。

[1]關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

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

[3]劉志剛.概論巖溶或地質復雜隧道隧洞地質災害超前預報技術[J].鐵道建筑技術，2003(2)：1-5.