基于綜合探測與量測方法的雙線鐵路隧道出洞研究

蔣艷君

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

隨著我國鐵路交通建設的持續(xù)發(fā)展，我國高速鐵路建設取得了一系列的成就。在鐵路隧道建設領域，各類不良地質(zhì)預報方法運用于鐵路隧道建設過程中，有效地減少了安全事故。蔡盛[1]運用短期物探與長期物探相結合，并參考鉆探揭露的水文地質(zhì)信息，保障隧道安全施工和隧道進度。唐宇豪等[2]分析了彈性波法與電磁法探測機理，提出一種適用于施工干擾環(huán)境下的隧底巖溶物探方法，成功避免了隧道建設過程中的隧底巖溶危害。閆強剛[3]使用地質(zhì)雷達法結合鉆探對含導水構造巖層進行探測，試驗結果表明，該方法可以有效提高含導水構造巖層工作效率。王剛[4]將電導率反演方法運用于隧道不良地質(zhì)災害中，有效預報了隧道不良地質(zhì)災害。將地質(zhì)雷達結合掌子面地質(zhì)素描信息作為隧道短期不良地質(zhì)災害判據(jù)，并調(diào)整相應的風險管控技術措施，已在目前隧道施工中廣泛應用[5]。在隧道出洞的過程中，各類風險發(fā)生的可能性較大，并且隧道掘進對出洞位置附近的原有第四系覆土、植被等有不良影響，需要將不良地質(zhì)風險的預判與隧道出洞的風險管控措施、技術措施緊密結合起來，以保障隧道出洞安全、高效、綠色和低耗。

1 工況介紹與技術路線

五豐坡隧道為宣城至績溪高速鐵路單洞雙線隧道，隧道全長3503.38 m，最大埋深約254.9 m，正洞開挖斷面尺寸為152 m3。出口下方臨近戈溪河，施工便道無法到達隧道出口，管棚無法施作，隧道出口航拍圖如圖1 所示。僅能由洞內(nèi)向外開挖出洞。

圖1 五豐坡隧道出口航拍圖

為保障隧道出洞過程中施工人員安全，避免出現(xiàn)技術失誤，該文以宣績鐵路五豐坡隧道出洞為研究對象，首先在出洞前使用TSP 彈性波反射超前預報措施，對隧道進行長距離的風險預判，再使用地質(zhì)雷達和地質(zhì)素描法對掌子面前端近區(qū)的地質(zhì)風險進行細致探測，進而確定爆破參數(shù)和支護技術措施。在隧道掘進的過程中，充分進行洞內(nèi)圍巖監(jiān)控量測和地表沉降觀測記錄，作為隧道掘進風險預判的重要依據(jù)。同時使用全息掃描儀對開挖面進行斷面掃描，確定隧道斷面的開挖效果的變形規(guī)律。通過上述綜合探測方法與技術措施，隧道順利出洞，可以節(jié)約經(jīng)濟成本，該文技術路線如圖2 所示。

圖2 技術路線圖

2 長距地質(zhì)風險探測

在隧道出洞綜合探測方法中，首先使用彈性波反射法（TSP 法），以查明出洞段較大范圍的前方地質(zhì)情況，TSP 法具有預測范圍大、探測效率高等優(yōu)點，可以為隧道后續(xù)精細化探測提供參考。

預報隧道邊墻都應布置爆破鉆孔進行重復測量；施測時隧道中應沒有其他振動源，以免影響試驗效果和計算精度。計算結果判斷依據(jù)如下：1）彈性波反射激勵幅值越大，說明此處巖體的波阻抗和反射系數(shù)的差異越高。2）發(fā)生正反射的巖體為剛性系數(shù)較大的巖體，反之為較小的巖體。3）如果S 波反射強度高于P 波的反射強度，說明此處巖體含水量較大。4）如果P 波與 S 波波速大幅度提高或泊松比δ突然增大，說明此處巖體存在一定量的流體。5）如果P 波波速變低，就說明巖體中的孔隙較多。五豐坡隧道TSP 預報的計算結果如圖3 所示。

圖3 物性變化圖

根據(jù)圖3 的數(shù)據(jù)庫處理計算結果并結合上節(jié)判斷依據(jù)，可以得出探測段的以下地質(zhì)預報結果：DK144+900.8~DK144+909段，P 波波速為3032m/s~3135m/s，該段縱橫波速度均呈升高狀態(tài)，預測結果為圍巖情況較掌子面稍好，巖體弱風化～強風化。巖體為較破碎，同時節(jié)理裂隙發(fā)育。DK144+909~DK144+923段P 波波速為2864~2850m/s，該段縱橫波速度、楊氏模量下降，預測結果為圍巖弱～強風化，破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育。DK144+923~DK144+933 段P 波波速在2893~3048m/s，該段縱橫波速度、楊氏模量較前段升高，預測結果為該段圍巖強度有所提高。巖體為較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。DK144+933~DK144+976.46 段P 波波速在2355~3122m/s，該段縱橫波速度、楊氏模量下降，預測結果為該段圍巖強度下降，弱~強風化。

3 短距地質(zhì)風險探測

在TSP 預報所得長距預測結果的基礎上，短距探測主要采用地質(zhì)雷達結合掌子面素描結果，與TSP 結果進行對比分析，較復雜段增設超前水平鉆作為補充判據(jù)，為隧道掘進提供掌子面前方更精細的地質(zhì)預報信息。其中地質(zhì)雷達每30 m探測一次，掌子面素描每循環(huán)進行一次。

根據(jù)地質(zhì)雷達探測結果，可以得到以下結果：DK144+917~DK144+952 段，同相軸較連續(xù)性略差，頻率降低，預測結果為圍巖弱風化，局部強風化，較完整～較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，建議圍巖等級為V級圍巖。DK144+945.8～DK144+976.5段，同相軸較連續(xù)性較差，預測結果為圍巖弱風化，較完整～較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，建議圍巖等級為V 級圍巖。同時，由掃描結果可知，臨近出洞段，圍巖破碎更為明顯。

4 鉆爆與支護技術措施調(diào)整

在隧道掘進過程中采用光面爆破方案，根據(jù)地質(zhì)預報和掌子面素描信息對光爆參數(shù)進行調(diào)整，現(xiàn)場鉆爆設計圖如圖4 所示。在隧道出洞淺埋段，常出現(xiàn)掌子面拱部、拱腰處有泥質(zhì)充填的情況，此時，如直接鉆孔裝藥，極易造成局部出現(xiàn)大范圍掉塊，會降低現(xiàn)場施工效率，導致混凝土原料浪費。對此，使用預裂爆破處理上臺階泥質(zhì)充填部分。同時，出洞段的第四系表土層厚薄不一，在同一循環(huán)斷面，不同區(qū)域會出現(xiàn)差距較大的地質(zhì)情況，在隧道掘進過程中使用沿開挖輪廓每循環(huán)施作一孔超前水平鉆揭露前方地質(zhì)信息，同時可以得到出洞剩余距離。

圖4 隧道掘進鉆爆設計圖

在臨近出洞淺埋段中，超前支護措施已由超前管棚支護變更為φ42mm 的超前單層小導管，環(huán)向間距0.3m，單根長度3 m，縱向每2 榀施做一環(huán)。同時，在超前支護注漿過程中嚴控注漿初終壓，并檢查注漿效果。隧道采用光面爆破法施工，根據(jù)前期預報結果在施工中根據(jù)實際圍巖特點，不斷優(yōu)化鉆爆設計，調(diào)整爆破參數(shù)；在出現(xiàn)泥質(zhì)鈣質(zhì)填充時將裝填系數(shù)調(diào)低20%～40%，并設置預裂孔等方式，取得最佳爆破效果，避免地質(zhì)風險發(fā)生。

5 隧道圍巖監(jiān)控量測及全息掃描

在隧道出洞中，相鄰檢測斷面間距5m，每個斷面分別在拱頂和洞身布置5 個沉降監(jiān)測點。洞內(nèi)測點應在開挖后12h內(nèi)埋設，并應在測點埋設后12h 內(nèi)，且支護后2h 內(nèi)讀取初始數(shù)據(jù)。在隧道掘進開挖過程中，設置地表監(jiān)測點，加強對地表的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。隧道掘進施工前對原有地面進行一次復測，準確掌握出洞時洞頂?shù)母采w層厚度，保障施工安全。隧道掘進出洞監(jiān)測點拱頂沉降結果如圖6 所示。通過圖5 中的沉降監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，可以得出，在0d~6d 內(nèi)沉降發(fā)展較快，多數(shù)在6d 后沉降逐漸趨于穩(wěn)定，沉降量基本穩(wěn)定在8mm~10mm，在出洞過程中沒有出現(xiàn)較大的變形及沉降危害。

圖6 拱頂沉降量測結果

每循環(huán)開挖完成后，采集利用SX12 全息掃描儀掃描，同時拍攝高清影像，生成數(shù)據(jù)文件即點云文件，點云數(shù)據(jù)無須拼接直接在儀器配套的TBC 軟件中生成完整點云，計算斷面掃描結果，進而與設計斷面進行對比，確定現(xiàn)場施工結果7。通過掃描可以了解隧道掘進超欠挖的情況，及時調(diào)整鉆爆方案，避免材料超耗和技術措施失誤。

斷面掃描結果如圖7 所示。根據(jù)圖7 中的隧道斷面掃描數(shù)據(jù)可知，上臺階開挖拱腰區(qū)域的超挖情況比其他區(qū)域更嚴重，超挖多在8~12 cm，在爆破開挖過程中應注意控制，及時調(diào)整問題部位的爆破方案，在此處采用預裂爆破、降低裝藥等方式，并加強超前支護措施，保證超前注漿質(zhì)量和監(jiān)控量測。

圖7 隧道掃描結果

6 隧道出洞

上臺階線路會率先出洞。出洞后，施工人員通過洞口對仰坡打設砂漿錨桿，錨桿長度4 m@1.2 m 梅花形布置，進行仰坡支護，仰坡開挖以人工為主，噴射C25 混凝土對坡面進行防護，防止后續(xù)爆破仰坡滑塌。隧道貫通后施作截排水設施。通過上述綜合探測方法及調(diào)整技術措施，五豐坡隧道順利貫通出洞，保護了出洞位置的生態(tài)環(huán)境，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

7 結論

以宣績鐵路五豐坡隧道出洞為研究對象，首先在出洞前使用TSP 彈性波反射超前預報措施，對隧道進行長距離的風險預判，再使用地質(zhì)雷達和地質(zhì)素描法掌子面前端近區(qū)的地質(zhì)風險進行細致探測，進而確定爆破參數(shù)和支護技術措施。1）出洞前采取TSP 彈性波反射超前預報措施，對隧道進行長距離的風險預判。使用地質(zhì)雷達和地質(zhì)素描法掌子面前端近區(qū)的地質(zhì)風險進行細致探測，得到更為精確的不良地質(zhì)風險預測，極大程度地降低了隧道掘進的安全風險。2）在隧道掘進過程中，通過前期物探結果和圍巖監(jiān)控量測結果、斷面掃描結果，得到隧道開挖沉降變化規(guī)律和斷面超挖規(guī)律，并根據(jù)結果及時對隧道鉆爆參數(shù)、支護參數(shù)進行調(diào)整，實現(xiàn)了雙線鐵路隧道的安全、高效、低耗出洞施工。3）在隧道出洞過程中，通過精細化的不良地質(zhì)風險預判和技術措施調(diào)整，有效降低了出洞段地質(zhì)風險的發(fā)生概率，保護了出洞位置的環(huán)境，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，為類似隧道出洞施工提供參考。