Ⅵ級圍巖隧道安全優質施工技術

摘要 文章以某Ⅵ級圍巖復雜地質隧道開挖為例，充分考量組合式地質預報結果與智能監控量測數據以指導開挖工藝的優化，攻克了復雜地質隧道施工中掌子面突涌水、溜塌、掉塊等難題，大幅度降低了不良地質施工風險，對類似地下工程施工具有借鑒意義。

關鍵詞 組合地質預報；三維立體建模；組合超前支護；智能監控量測

中圖分類號 U453 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0131-03

0 引言

采取組合地質預報技術，通過物探與鉆探的組合，可使得對不良地質的判識更加精確。通過建立地下水分布與工程實體的三維模型，能夠實現精準靶向泄水，大幅度降低掌子面突涌風險。采用大管棚+小導管+超前周邊注漿組合超前支護技術，能夠顯著增強掌子面圍巖的穩定性，確保圍巖掉塊風險得到有效控制。通過智能監控量測技術，為預留變形量的動態調整提供了高質量基礎數據，使預留變形量控制更具科學性。

1 工程概況

某單洞雙線隧洞，共計280 m處于Ⅵ級圍巖段，且洞身需通過多個區域性深大斷裂帶。地表水匯水區域廣，與深大斷裂帶的連通性好，地下水涌水量變化大。圍巖多為全風化、破碎至極破碎強風化花崗巖，以及松散的含砂堆積體，大孤石含量大，局部蝕變帶發育。受圍巖完整性及地下水雙重因素影響，掌子面掉塊、坍塌、突涌等不良地質風險極高。

2 Ⅵ級圍巖隧道安全優質施工技術

2.1 施工技術要點

（1）采用物探與鉆探相結合的方式，提高對不良地質判識的精確度。

（2）建立地下水三維模型，加強地下水對圍巖穩定性的研判，提高對富水區靶向泄水的指導作用。

（3）超前支護加強措施：采取上臺階超前周邊注漿，輪廓線外5 m范圍內加強；拱頂144°范圍采用Φ108超前大管棚，環向間距0.4 m，縱向間距6 m，單根長9 m；大管棚間增設Φ42超前小導管，環向間距0.4m，縱向間距2.4 m；注漿采用水泥漿，水灰比1：1，注漿壓力為0.5～3 MPa[1]。

（4）初支加強措施：徑向Φ25脹殼式錨桿改良為Φ42注漿錨管，單根長4.5 m。鋼架鎖腳由Φ42錨管改良為Φ60錨管，上臺階每處鎖腳設置2根，單根長4 m；中、下臺階每處鎖腳設置3根，單根長6 m。對鋼架垂直度、間距、拱腳支墊等進行嚴格控制。

（5）短進尺小步距三臺階預留核心土開挖：依據開挖輪廓線采用挖掘機對掌子面進行初步開挖，根據圍巖破碎及風化程度預留10～20 cm，以采用人工手持風鎬進行修整。上臺階長度為5 m，循環進尺控制在0.6 m以內。初支成環距掌子面35 m以內，二次襯砌距掌子面120 m以內。

（6）隧道拱頂沉降與收斂觀測采用三維安全監測儀、陣列激光斷面監測儀進行高頻次、自動化監測，以智能化判別圍巖變形情況。

2.2 Ⅵ級圍巖隧道開挖施工技術

2.2.1 組合地質預報施作

針對不同地層選取科學合理的預報方法，一般地段采用TSP法進行物探，對異常區段進行1孔超前地質鉆探靶向鉆進，進行驗證判別。斷層、褶皺、破碎帶、侵入巖蝕變帶等采用TSP法和地質雷達進行物探，配合2孔超前地質鉆探對其產狀進行確認，其中1孔進行取芯鉆探。富水構造、富水段落等采用TSP法和瞬變電磁進行物探，配合5孔超前地質鉆探，鉆孔設置關水閥門，其中3孔定位、1孔測壓、1孔取芯。針對Ⅵ級圍巖，在上述基礎上增加每循環掌子面素描，判識節理分布對掌子面穩定性的影響。同時，按照縱向間距2.4 m實施5孔加深炮孔，孔位沿拱頂環向間距1m分布[2]。

2.2.2 地下水分布三維地質建模與靶向泄水施作

（1）采用DKTEM-20型設備進行瞬變電磁探水，激發線圈為3匝、1 m邊長的正方形線框，接收線圈等效面積為20 m2；供電電流為100 A，發射頻率為12.5 Hz，疊加次數為15次。分6個方向采集原始數據：掌子面水平斜向上60°方向、掌子面水平斜向上30°方向、掌子面水平方向、掌子面水平斜向下30°方向、掌子面水平斜向下60°方向及掌子面中央垂向方向。原始數據需要進行異常值剔除及濾波分析，保證單個測點的兩次觀測曲線的形態和幅值一致，各觀測道允許的均方相對誤差不大于±10%，工點質量檢查允許的均方相對誤差不大于±15%[3]。

（2）對瞬變電磁探水原始數據進行克里金插值處理，采用Voxler4地質三維軟件進行地下水分布模擬，以輔助計算獲取地下水分布的三維數據。

（3）將地下水分布三維數據轉換成基于2000坐標系的三維數據，通過Bentley圖形平臺MicroStation構建工程實體及地下水分布三維模型，如圖1所示。在充分分析地下水與工程實體絕對位置關系的基礎上，進行靶向泄水施工設計，以獲取鉆孔深度、角度等施工參數。

（4）采用C6鉆機進行泄水孔施工，鉆進時采取全孔跟管或自進式造孔，孔口直徑大于60 mm。采用鋼花管埋管引水，管內填充過濾材料并設置孔口閥，外接排水盲管以有序引排地下水。

2.2.3 組合超前支護施作

（1）超前周邊注漿施作：首次施工前應在掌子面施工止漿墻，注漿孔深度按照30 m控制。后續每開挖25 m，施工一次長度為30 m的超前周邊注漿，以保證前后兩次的搭接長度不小于5 m。注漿孔布設時應按照單孔擴散半徑1.5 m考慮，環數的布置以確保上臺階開挖輪廓線外5 m范圍內的圍巖得以加固為準。為保證注漿效果，鉆孔注漿時應由外向內進行施工，同一環采取跳孔施工以避免注漿串孔。如遇到成孔困難的破碎地層，則采取前進式注漿工藝，反之采用后退式注漿以加快施工進度；注漿材料主要為水泥漿液，封孔時采用水泥水玻璃雙液漿。水泥采用32.5號的普通硅酸鹽水泥，水玻璃波美度Be'=40，水泥漿液水灰比=1∶1，水泥：水玻璃液漿=1∶0.8。

（2）超前周邊注漿參數：單孔擴散半徑1.5 m，終孔間距2.0 m，鉆孔孔徑為Φ108。注漿前進行靜水壓力測試，確保注漿壓力大于靜水壓力，且注漿泵量程達到設計注漿壓力的1.5倍。

（3）當單孔注漿滿足如下要求時停止注漿：孔壓達到設計終壓并維持不小于10 min；注漿量大于理論值的五分之四，進漿速度小于初值的四分之一；檢查孔涌水量小于0.2 L/（m·min）。

（4）超前大管棚施工：在拱部120°范圍內施作單層Φ108超前大管棚，管棚長9 m，環向間距0.4 m，縱向間距6 m，外插角控制在10°。對管棚進行注漿作業，注漿材料采用水泥漿液，水灰比按照1∶1控制。注漿壓力初壓為0.5 MPa，終壓為2.0 MPa。單孔注漿量采用體積法計算，漿液填充系數控制在0.7～0.9，注漿材料損耗系數取0.1，填充率則根據具體地層選取。

（5）超前小導管施工：大管棚之間施作Φ42超前小導管，環向間距0.4 m，縱向間距1.8 m，單根長4.5 m，外插角控制在10°～15°。局部極破碎圍巖，應減小環向間距或雙層加密設置小導管。小導管注漿采用水泥漿液，終壓控制在1 MPa左右。注漿前應由下至上沖洗管內沉積物，應進行壓水試驗，以檢查設備是否正常、管路連接是否正確。采用分漿器進行群管注漿，以加快注漿速度。當單孔注漿壓力達到設計要求值，并穩定10～15 min后方可結束。

2.2.4 短進尺小步距三臺階預留核心土開挖

超前支護措施施作完成后，采用短進尺小步距三臺階預留核心土開挖掌子面。初支整環設置I22b型鋼鋼架，配合早高強噴射混凝土與Φ42系統錨管。鋼架間距控制應在0.6 m以內，每臺階處左右兩側均搭設一組鎖腳錨管，傾角分別按照20°、40°進行控制。

（1）洞身開挖：采用挖掘機、松土器等為主要施工機械，開挖上臺階弧形導坑，根據圍巖破碎及風化程度預留10～20 cm，以采用人工手持風鎬進行修整，采用新能源裝載機及自卸汽車相互配合實施出渣。預留5 m核心土，以增強開挖工作面的穩定性。開挖循環進尺0.6 m，中下臺階左、右側開挖高度為2.9 m，循環進尺0.6 m，左、右側臺階錯開3 m。上臺階長度控制在5 m，中下臺階長度控制在8m以內。初支成環距掌子面控制在35 m以內。開挖后應保持各臺階的有序緊跟，保證仰拱循環的開挖長度控制在1.2 m以內。每循環上臺階開挖完成后，均使用早高強噴射混凝土對掌子面及核心土進行初噴加固，初噴厚度為4 cm[4]。

（2）鎖腳加固：掌子面初噴加固后應及時施作初期支護，鋼架鎖腳均采用Φ60錨管，上臺階每處鎖腳設置2根，單根長4 m，中、下臺階每處鎖腳設置3根，單根長6 m，采用I22b型鋼鋼架及時施作初支并封閉成環。

2.2.5 智能監控量測施作

智能監控量測系統主要由隧道三維安全監測系統和陣列激光變形監測系統構成，配合綜合管控數字化平臺，實現監測數據的三維展示、實時分析和動態預警，從而實時掌握圍巖動態，使圍巖狀態實時化、可視化，對圍巖穩定性第一時間作出準確、快速的評價，指導現場施工，確保隧道施工的安全與質量[5]。

（1）三維監測設備安裝：在隧道初期支護區側壁距離掌子面超過30 m外“之”字形安裝2～3臺三維安全監測儀，安裝高度結合現場進行實時調整，以不影響檢測數據收集為準。在隧道二次襯砌區的掛布臺車上安裝系統控制儀。具體布設情況如下圖2所示。為適應隧道內復雜的施工環境，設備外殼結構部分應采用經CNC加工的6061鋁合金，對其表面進行陽極氧化處理，使其具備防塵、防水、防爆等高防護能力。

（2）陣列激光變形監測設備安裝：陣列激光變形監測成套設備包括陣列激光斷面掃描儀和邊緣控制主站。在隧道初支側面拱墻位置，縱向間隔5 m安裝斷面監測儀，安裝高度結合現場實時調整，但各設備應保持在同一水平線上。在二次襯砌區的掛布臺車上安裝邊緣控制主站。

（3）綜合管控數字化平臺：基于三維監測設備和陣列激光變形監測設備采集處理后的數據，為隧道施工安全和隧道變形監測等業務場景提供數據采集、分析計算、存儲與查詢、實時成像等功能，對圍巖穩定情況給出直觀的三維展示，能夠高效指導現場施工。

3 施工質量與安全控制要點

（1）瞬變電磁地下探水時，掌子面導電性高的工器具、施工設備、簡易臺車等全部撤至離掌子面6～10 m范圍的位置，避免對測量數據產生干擾，以免對地下水的分布造成誤判。

（2）超前周邊注漿應嚴格按照注漿方案進行施工，對超前周邊的注漿效果進行三方驗證；注漿過程實施嚴格驗收制度，應對注漿過程中的壓力流量時間關系曲線進行實時分析，確保壓力達到設計終壓。終孔前的壓力時間曲線表現出明顯的上升趨勢，而流量時間曲線則表現出明顯的下降趨勢。嚴格實施取芯驗證，隨機抽樣實施的鉆孔取芯，不可在既有注漿孔中實施。按注漿總孔數的5%抽取檢查孔，檢查孔的取芯率及反算出的漿液填充系數均不小于五分之四。

（3）超前大管棚與超前小導管應嚴格控制孔深與送管深度、縱向搭接與環向間距、上傾角度、注漿質量。系統錨管采用Φ42注漿錨管，（0.8×0.8） m梅花形布置，單根長度為4.5 m，施工過程中應嚴格控制錨管數量、孔深與送管深度、注漿質量。對于每環形的鋼拱架鎖腳，上臺階每處鎖腳應設置2根Φ60錨管，單根長4 m；中、下臺階每處鎖腳設置3根Φ60錨管，單根長6 m。嚴格控制鎖腳組數、送管深度、下傾角度（20°、40°）、U形筋焊接與鎖腳的注漿質量。

（4）短進尺小步距三臺階預留核心土法施工，上臺階循環進尺應控制在0.6 m以內，臺階長度控制在5 m以內；中臺階循環進尺控制在0.6 m以內，左右不得對稱，前后錯開1.8 m；仰拱循環進尺控制在1.2 m以內；初支成環距掌子面控制在35 m以內，二次襯砌距掌子面的距離控制在120 m以內。

（5）加強對涌水、涌砂征兆的監測，當預測有涌水、涌砂征兆時，應進一步提高監測頻率，同時組織相關人員、機械設備及時撤離。

（6）按設計要求進行圍巖監控量測、超前地質預報工作，如監測數據異常或地質、水文情況發生變化應及時上報相關單位以便處理。

（7）落實“短進尺、強支護、勤測量、快循環、早封閉”的施工組織原則。初期支護應在盡可能短的時間內封閉成環，仰拱、二次襯砌應緊跟掌子面的施工進度，確保不突破初支成環距離掌子面35 m、二次襯砌距離掌子面120 m的安全底線。

（8）定期做好臨時安全用電排查，確?！耙粰C一閘一漏?！钡陌踩秒娫瓌t落實落地；加強高空作業、高臨邊坡、大型機械操作等事故多發處的安全防護措施，確保安全警示落實落細；采取洞內不良地質的應急防控措施，定期對應急逃生渠道、應急救援物資及安全防護用品使用原則與方法進行針對性培訓與交底。

4 結語

該Ⅵ級圍巖隧道開挖，綜合采用上述施工措施，在施工過程中嚴格遵循工藝流程、審慎把控施工技術要點，有效控制了掌子面不良地質風險，工程實體獲得一次驗收通過，不僅在工期上節約162 d，還創造了2 800萬元的經濟效益，實現了Ⅵ級圍巖復雜地質隧道施工的安全、優質、高效，其經驗及做法值得類似地下工程參考借鑒。

參考文獻

[1]鐵路隧道超前地質預報技術規程：Q/CR 9217—2015[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[2]鐵路工程物理勘探規范：TB 10013—2023[S].北京：中國鐵道出版社，2023.

[3]鐵路工程地質鉆探規程：TB 10014—2012[S]北京：中國鐵道出版社，2012.

[4]李平，何翰林，羅天宇，等.淺析超前地質預報技術在富水隧道的綜合應用[J].科學技術創新，2023（27）：161-164.

[5]張涵.綜合物探法在新疆某引水隧洞超前地質預報中的應用[J].紅水河，2023（6）：118-122.

收稿日期：2024-05-28

作者簡介：王志強（1982—），男，本科，高級工程師，研究方向：復雜地質下的隧道施工技術。