圍巖快速分級(jí)和松動(dòng)圈測試應(yīng)用研究

胡克輝

(中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧遼陽 111000)

1 引言

由于勘察技術(shù)手段和勘察工作量的局限性，以及現(xiàn)行隧道工程設(shè)計(jì)理論尚不成熟，加上我國基礎(chǔ)設(shè)施的迅猛推進(jìn)而涉及更多樣化的地質(zhì)環(huán)境，從而決定了隧道工程設(shè)計(jì)與施工的不可預(yù)知性、復(fù)雜性和高風(fēng)險(xiǎn)。目前，隧道施工基本上還是以預(yù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工，結(jié)合動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的信息化施工為主。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的圍巖分級(jí)和松動(dòng)圈厚度問題至為關(guān)鍵，對隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工安全影響極大，導(dǎo)致隧道工程事故也屢有發(fā)生。因此，多年來隧道工程領(lǐng)域的專家學(xué)者一直對施工過程中圍巖快速分級(jí)和松動(dòng)圈厚度現(xiàn)場測試進(jìn)行著大量研究工作，旨在為隧道工程動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)。

隧道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)是隧道工程中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，尤其是施工過程中圍巖快速分級(jí)是支護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工的重要依據(jù)[1－3]。張長勝[4](2018)基于圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)，結(jié)合巖石強(qiáng)度和巖體完整性系數(shù)提出隧道施工圍巖快速分級(jí)方法；王睿[5]等在張長勝等人工作的基礎(chǔ)上，基于聲波－回彈聯(lián)合測試法，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測巖石強(qiáng)度；李永志[6]等基于綜合超前預(yù)報(bào)與掌子面地質(zhì)素描相結(jié)合的方法構(gòu)建了隧道動(dòng)態(tài)圍巖分級(jí)框架。

關(guān)于圍巖松動(dòng)圈的研究成果較為豐富。劉剛[7](2021)等人總結(jié)論述了巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則和數(shù)學(xué)模型法計(jì)算松動(dòng)圈厚度的研究現(xiàn)狀，并對兩種方法模型推導(dǎo)和工程應(yīng)用條件進(jìn)行了分析；桑運(yùn)龍[8](2019)、高威[9](2020)、劉永勝[10](2020)等人研究了爆破對圍巖松動(dòng)圈范圍的影響；夏舞陽[11](2018)等采用多點(diǎn)位移計(jì)法和地質(zhì)雷達(dá)法相結(jié)合測試了鷓鴣山隧道變質(zhì)軟巖的松動(dòng)圈范圍；黃鋒[12](2016)、王守慧[13](2019)、鄭星[14](2020)、譚忠盛[15](2021)等人采用聲波法對砂巖、泥巖、粉砂巖夾炭質(zhì)板巖類圍巖的松動(dòng)圈范圍進(jìn)行測試分析，取得了很好的效果。

可見，在圍巖松動(dòng)圈測試方法中，聲波法起步較早，技術(shù)較為成熟，在我國隧道工程中應(yīng)用廣泛。由于巖土的生成環(huán)境和賦存環(huán)境的差異，加上施工方法的不同，施工過程中圍巖松動(dòng)圈測試范圍有很大差異，需要不斷積累，才能為設(shè)計(jì)提供更為全面準(zhǔn)確的依據(jù)。鑒于此，本文以吉圖琿客運(yùn)專線小盤嶺1＃～3＃隧道施工中遇到的碳化泥質(zhì)板巖為研究對象，基于巖石強(qiáng)度和聲波測試數(shù)據(jù)分析，開展了圍巖快速分級(jí)和松動(dòng)圈范圍研究，為隧道施工提供了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)參數(shù)和變更依據(jù)，確保了隧道的施工與運(yùn)營安全。

2 工程概況及測試方案

2.1 工程概況

中鐵十九局集團(tuán)有限公司承建吉圖琿鐵路JHSⅦ標(biāo)段工程項(xiàng)目，標(biāo)段全長39.353 km。標(biāo)段內(nèi)的小盤嶺1＃～3＃隧道遇到碳化泥質(zhì)板巖，該巖呈灰色～灰黑色，板狀～片狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較為破碎，富水，穩(wěn)定性差。隧道施工中圍巖初支變形大，圍巖失穩(wěn)屢發(fā)，嚴(yán)重影響了隧道施工進(jìn)度。

通過調(diào)研表明，對該類地質(zhì)條件下隧道圍巖的穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化較少。因此，本文開展圍巖快速分級(jí)和松動(dòng)圈范圍的研究工作，除了解決本工程的實(shí)際難題外，也能為以后類似工程建設(shè)積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.2 單孔－雙收聲波測試方案

2.2.1 測試方法

聲波探測采用單孔－雙收的換能器組合方式測試，見圖1。測試組件包括發(fā)射換能器、2個(gè)接收換能器、RSM-SY5聲波儀和筆記本電腦，見圖2。

圖1 超聲波法單孔－雙收示意

圖2 RSM-SY5聲波測試組件

將測試傳感器組件插入預(yù)先打好的鉆孔內(nèi)，開啟水泵，將鉆孔中注滿水；啟動(dòng)發(fā)射接收器，聲波發(fā)射器發(fā)射出特定波長聲波，透過水的耦合作用，聲波通過傳遞速度最快的巖體傳播，接收器1、2分別在不同延時(shí)后接收到該波，記錄下該波到達(dá)的起始時(shí)間；接受器1、2的距離除以傳遞時(shí)間，可以得到聲波在該位置巖體中的傳播速度，該速度值可通過與傳感器組件連接的電腦程序獲得；得到該點(diǎn)傳播速度后將傳感器組件沿鉆孔壁拉出一定的距離(50 cm)即可變換測試點(diǎn)位置，可測得不同深度處的巖體傳播速度；將這些速度點(diǎn)對比分析，進(jìn)而得到整個(gè)隧道松動(dòng)圈的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。現(xiàn)場測試工作見圖3。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)測

2.2.2 測試方案

典型監(jiān)測斷面選擇首先考慮工程地質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的代表性，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在小盤嶺1＃～3＃隧道共選取10個(gè)監(jiān)測斷面，實(shí)際完成9個(gè)斷面，具體見表1。每個(gè)監(jiān)測斷面布置3個(gè)測孔，拱頂1個(gè)、兩側(cè)拱腰各1個(gè)，探孔徑向深度均為8 m，孔徑為50 mm。斷面測試孔的波速與深度代表性曲線見圖4。

表1 小盤嶺1＃～3＃隧道超聲波測試實(shí)際完成斷面

圖4 小盤嶺1＃隧道松動(dòng)圈測孔代表性聲波

3 碳化泥質(zhì)板巖松動(dòng)圈測試分析

基于圍巖擾動(dòng)區(qū)松動(dòng)后，與未擾動(dòng)區(qū)之間會(huì)出現(xiàn)顯著的波速差異，并根據(jù)掌子面圍巖情況，綜合判斷圍巖松動(dòng)圈的厚度。通過曲線分析，3座隧道各監(jiān)測斷面的松動(dòng)圈厚度范圍見表2。

表2 小盤嶺1＃～3＃隧道各監(jiān)測斷面松動(dòng)圈厚度范圍 m

由表2可以看出，小盤嶺3座隧道各監(jiān)測斷面的拱頂和右拱腰位置的松動(dòng)圈厚度平均值分別為5.35 m和5.19 m，相差不大；而左拱腰位置的松動(dòng)圈厚度平均值在5.91 m左右，明顯大于拱頂和右拱腰。現(xiàn)場調(diào)查驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，左拱腰至拱頂范圍圍巖破碎、碳化嚴(yán)重，拱頂至右拱腰部分圍巖情況稍好，說明了測試分析結(jié)果與實(shí)際較為吻合。

4 碳化泥質(zhì)板巖圍巖初步分級(jí)

圍巖分級(jí)主要考慮影響圍巖穩(wěn)定性的諸多因素，可單獨(dú)考慮或組合考慮，包括:(1)巖石的物理力學(xué)指標(biāo)或工程指標(biāo)；(2)波速等綜合指標(biāo)。根據(jù)我國2017年頒布的?鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范?(TB 10003—2016)中的圍巖分級(jí)方法，本文采用圍巖完整性、飽和單軸抗壓強(qiáng)度和波速指標(biāo)進(jìn)行施工期圍巖快速分級(jí)。

4.1 地質(zhì)情況及圍巖完整性

隧道掌子面圍巖為弱～強(qiáng)風(fēng)化碳化泥質(zhì)板巖，灰黑色，較為破碎，滴滲水，遇水易崩解，自穩(wěn)性差。

4.2 碳化泥質(zhì)板巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度

室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)得到碳化泥質(zhì)板巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為20.6 MPa(見表3)，按照現(xiàn)行隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，該碳化泥質(zhì)板巖可定義為破碎或極破碎的軟質(zhì)巖，圍巖等級(jí)定為Ⅴ級(jí)。

表3 碳化泥質(zhì)板巖飽和抗壓強(qiáng)度

4.3 碳化泥質(zhì)板巖聲波分析

對9個(gè)斷面27個(gè)測孔波速測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，本工程小盤嶺1＃～3＃隧道各個(gè)監(jiān)測斷面松動(dòng)圈內(nèi)的圍巖波速范圍在1.18～1.76 km/s之間，平均值為1.29 km/s；松動(dòng)圈外的圍巖波速范圍在1.88～2.40 km/s之間，平均值為2.06 km/s，見圖5。說明松動(dòng)圈范圍內(nèi)的碳化泥質(zhì)板巖受施工影響，結(jié)構(gòu)更為破碎，穩(wěn)定性很差。

圖5 小盤嶺1＃～3＃隧道聲波速度測試值

按照規(guī)范碳化泥質(zhì)板巖的巖性類型應(yīng)為C類，圍巖依據(jù)彈性波速度在2.0～3.0 km/s之間，應(yīng)定為Ⅴ級(jí)圍巖。

綜合上述分析，可以判定小盤嶺1＃～3＃隧道涉及的碳化泥質(zhì)板巖均為Ⅴ級(jí)圍巖，個(gè)別地段由于風(fēng)化程度和構(gòu)造不同而稍有差異。

5 研究結(jié)論及應(yīng)用

本文通過非金屬超聲技術(shù)對吉圖琿客運(yùn)專線小盤嶺1＃～3＃隧道的碳化泥質(zhì)板巖地層的掌子面圍巖進(jìn)行了波速測試，依據(jù)測試結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)特征調(diào)查和強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了施工中的圍巖快速分級(jí)和松動(dòng)圈范圍確定。

(1)測試結(jié)果分析表明，小盤嶺隧道遇到的弱～強(qiáng)風(fēng)化碳化泥質(zhì)板巖的松動(dòng)圈厚度范圍在4.90～6.16 m之間；左拱腰、拱頂和右拱腰位置的松動(dòng)圈厚度平均值分別為5.91 m、5.35 m和5.19 m。

(2)強(qiáng)風(fēng)化碳化泥質(zhì)板巖強(qiáng)度低，屬于軟質(zhì)巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差。松動(dòng)圈內(nèi)圍巖波速范圍在1.18～1.76 km/s之間，平均值為1.29 km/s；松動(dòng)圈外圍巖波速范圍在1.88～2.40 km/s之間，平均值為2.06 km/s。綜合判定小盤嶺隧道遇到的弱～強(qiáng)風(fēng)化碳化泥質(zhì)板巖圍巖為Ⅴ級(jí)圍巖，與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果較為一致。

(3)現(xiàn)場測試松動(dòng)圈厚度超過5 m，大于原設(shè)計(jì)4.0 m的錨桿長度，錨桿未起到加固圍巖的作用。根據(jù)測試結(jié)果，隧道錨桿長度增加至6.0～6.5 m，徑向注漿深度增至5 m。后續(xù)施工未發(fā)生圍巖失穩(wěn)情況，錨桿支護(hù)起到了很好的效果。

綜上，超聲技術(shù)測試圍巖松動(dòng)圈可行，建議今后在隧道工程施工中，針對特殊地質(zhì)圍巖可開展施工期掌子面圍巖聲波測試，以便更加準(zhǔn)確快速地判定圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)和松動(dòng)區(qū)范圍及其發(fā)展趨勢，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工提供有力依據(jù)。