软弱围岩隧道超前预报和监控量测及质量检测

1 概述

软弱围岩隧道，施工条件困难，若遇到埋深浅的情况，更需要制定切实可行的施工技术方案，谨慎掘进，以保证隧道施工安全和质量，确保施工进度。在隧道施工期间施行超前地质预报、监控量测和质量检测是隧道重大风险事故控制的有效手段，是加强工程安全质量管理，防止重大事故发生的有力措施，在隧道施工中必须坚决的贯彻执行。

塔韩铁路全线有两座隧道:张家渠隧道和赵家湾隧道，隧址所处的地貌单元为低山丘陵区，隧道行经地带植被稀疏，多为固定、半固定沙地覆盖。隧道工点范围内出露的地层为第四系全新统风积粉细砂层(Qeol4)、细砂层(Qel+dl4)，下伏地层岩性为白垩系下统砂岩(K1)。本区地下水类型为基岩孔隙、裂隙水，主要含水地层为基岩风化层。地下水主要储存于岩石孔隙及裂隙内。全线隧道地质条件差，埋深浅，围岩基本上以Ⅴ级围岩为主。

根据设计，Ⅴ级加强围岩初期支护采用C25喷射混凝土，厚23 cm;格栅钢架闭合环，间距100 cm;二衬厚度40 cm，C30钢筋混凝土结构。

2 超前地质预报

超前地质预报可及时提供隧道掘进方向前方的地质及含水性情况，进行围岩工程级别划分，让施工单位能够根据前方地质情况制定相应的施工方案和防范措施，确保施工的顺利进行;为设计变更提供工程地质依据;同时为业主动态掌握隧道整体施工情况，加强安全质量管理提供了有力保障。

2．1 超前地质预报设计

整体而言，塔韩铁路隧道岩性单一，根据《铁路隧道超前地质预报技术指南》(铁建设［2008］105号)规定和地质灾害对隧道施工安全的危害程度，本线隧道地质复杂程度分级可定为中等复杂:隐伏裂隙发育带、软弱带，存在中、小型突水突泥地段，较大物探异常地段等。据此确定超前地质预报设计:采用地质分析法、中长距离地震波法、地质雷达，辅以红外探测［1］。

隧道进洞阶段采用地质雷达预报为主，该方法是基于电磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同来判断前方传播介质的变化。介质介电常数的差异决定了电磁波反射的强弱程度和其相位的正负。岩性、构造、风化程度及其含水量的变化将影响其介电常数。

地质雷达预报选用美国SIR-3000型地质雷达，100 MHz天线采集参数为:采集方式为连续测量，每扫描采样数为512，采集时窗为350 ns，采用64次迭加，设定介电常数为6。

2．2 地质雷达超前预报

下文通过对于赵家湾隧道出口端掌子面DK63+010的超前预报，描述地质雷达法超前预报过程。隧道设计施工图中该段岩性(DK63+010～DK62+985)为全风化和强风化细砂岩，局部有风积砂，围岩级别为Ⅵ级。

掌子面地质情况:围岩为细砂岩，褐黄色，全～强风化，层理节理发育，结合性差，岩体破碎，岩质极软弱，遇水泥化，局部裂隙水发育，完整性差，Ⅴ级围岩。

测线布置:掌子面DK63+010垂直和水平各布置1条测线，重复采集2次，探测掌子面前方25 m范围内的地质变化状况。

根据地质雷达在掌子面探测数据图像分析，掌子面前方25 m(DK63+010～DK62+985)范围内电磁波反射波明显，振幅大，同向轴连续，右侧区域高频衰减明显，推测前方围岩分层明显，岩体软弱破碎，层理节理发育，局部裂隙水发育，岩体完整性差。

据此，可以推定掌子面DK63+010前方25 m范围内(DK63+010～DK62+985)，围岩级别为Ⅴ级，建议按Ⅴ级围岩施工，必要时加强超前支护。

2．3 超前预报建议

根据超前预报结果和现场地质调查建议:进洞时应注意施工工序，采用三台阶开挖法，谨慎掘进;开挖过程严格遵循“管超前、短开挖、严注浆、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭、快衬砌”的施工原则;管棚施工中请注意控制管棚施工质量，特别注意控制插入仰角。施工中控制超欠挖，必要时加强超前支护，开挖后及时进行锚喷支护，确保喷层质量和锁脚锚管施工质量。重视裂隙水危害，积极引排，防止基底泡水，软化，必要时设置临时仰拱。

3 监控量测

在隧道施工期间实施监测，引入监测制度，是加强工程安全质量管理，防止重大事故发生的有力措施。通过监测工作为业主提供及时、可靠的信息用以评定隧道工程在施工期间的安全性，并对可能发生危及安全的隐患或事故及时、准确地预报，以便及时采取有效措施，避免事故发生的同时指导设计和施工，实现“动态设计、动态施工”的根本目的。

3．1 量测项目和测点布置

本项目主要进行四个必测项目:1)洞内、外观察;2)拱顶下沉;3)周边收敛;4)地表沉降。

周边位移每台阶布置1条收敛测线，本线隧道进洞阶段采用三台阶开挖，周边收敛布置3条测线，拱顶下沉每个断面布置1个～3个测点，测点布置里程一致，地表下沉每断面布置7个～9个测点。周边收敛可采用两种方法进行:1)钢尺收敛计直接读数;2)测点位置粘贴放光片，全站仪非接触量测。拱顶下沉采用粘贴放光片，全站仪非接触量测。地表下沉采用水准仪器配测微器进行。

隧道监控量测贯穿整个施工过程，重点主要为三个方面:1)根据开挖情况紧跟开挖面埋设测点;2)根据围岩特点，重点对上台阶水平收敛测线和拱顶下沉进行量测;3)关注监测断面相应的下台阶及仰拱开挖对收敛和拱顶下沉的影响。

3．2 隧道稳定性判别标准

根据规范和设计文件确定隧道稳定性判别标准。

1)实测最大值或回归预测值最大值应不大于允许值或设计最大值，根据设计文件Ⅳ级围岩预留变形量为5 cm～8 cm，Ⅴ级、Ⅵ级围岩预留变形量为8 cm～12 cm。

2)根据位移速率判别:当周边位移速率小于0．10 mm/d～0．20 mm/d时或拱顶下沉速率小于 0．07 mm/d～0．15 mm/d时，则认为围岩位移达到基本稳定;当周边位移或拱顶下沉速率大于1．0 mm/d时，表明位移不稳定，应加强观测;当周边位移或拱顶下沉速率大于5．0 mm/d时，围岩处于急剧变化状态，应报警，进行加固。

3．3 量测过程

赵家湾隧道起讫里程为DK61+160～DK63+085，全长1 925 m，出口端明暗交接里程为DK63+010，出口端6月底管棚施工完成并开始进洞。

洞内、外观察:围岩为细砂岩，褐黄色，全～强风化，节理层理发育，结合性差，局部裂隙水发育，岩质极软弱，完整性差，Ⅴ级围岩。

1)阶段一:上台阶开挖，量测结果基本正常，量测数据未超过规范和设计值规定。

周边收敛速度为 －0．74 mm/d～ －1．40 mm/d，其中监测断面DK63+000(L1)累计收敛最大为 －14．42 mm，拱顶下沉速度为－0．91 mm/d～ －1．13 mm/d，监测断面 DK63+005 累计下沉最大为－12．7 mm。地表监测断面DK63+000中桩D4点下沉速度为 －0．40 mm/d ～ －1．50 mm/d，累计下沉 －14．7 mm。

2)阶段二:7月下旬下台阶开挖，量测结果变化明显，量测速度多日超过－1．00 mm/d，初期支护出现裂缝。

监测区域中台阶DK63+007～DK62+988右侧发现有多条沿拱架可见裂缝，DK62+996左侧发现沿拱架裂缝，监测区域DK63+006～DK62+995有沿拱架滴渗水。

监测区域DK63+010～DK62+985周边收敛速度最大达到－2．11 mm/d，拱顶下沉速度最大为 －1．82 mm/d，地表下沉监测断面DK63+000边桩D5点下沉速度最大为－1．40 mm/d，量测数据变化明显，量测速度多日超过－1．00 mm/d。

基于此，发布监控预警指令，掌子面停止掘进，洞口段围岩支护进行注浆加固。

3)阶段三:7月底，掌子面停止掘进，初期支护裂缝区域小导管注浆加固，量测数据变化趋缓。

7月底对洞口段初期支护进行注浆加固。采用φ42注浆花管，注浆材料为水泥浆，水灰比1∶1，注浆压力0．6 MPa ～1．0 MPa。

监控量测表明:注浆加固后，量测数据变化趋缓，监测区域DK63+010～DK62+985收敛速度为 －0．38 mm/d～ －1．34 mm/d，其中监测断面DK63+000(L1)累计收敛最大为－22．01 mm，拱顶下沉速度为 －0．46 mm/d～ －1．16 mm/d，其中监测断面 DK63+005累计下沉最大为－25．9 mm。地表监测断面DK63+000中桩D4点下沉速度为 －0．40 mm/d ～ －1．30 mm/d，累计下沉 －23．1 mm，地表未见异常。

4)阶段四:8月，仰拱闭合，及时进行二衬施工。

监测表明:随下台仰拱开挖，量测数据变化，监测区域DK63+010～DK62+985收敛速度为 －0．49 mm/d～ －1．37 mm/d，其中监测断面DK63+000(L1)累计收敛最大为－24．75 mm;拱顶下沉速度为 －0．20 mm/d～ －1．50 mm/d，其中监测断面 DK63+005累计下沉最大为－28．8 mm。地表监测断面DK63+000中桩D4点下沉速度为 －0．2 mm/d～ －0．80 mm/d，累计下沉 －26．6 mm。量测数据变化正常。

至8月底，随仰拱闭合，量测曲线变化趋缓，同时考虑到隧道局部裂隙水发育，初期支护开裂，为避免因初期支护存留时间太长，围岩支护不稳定，导致支护变形量大，出口端进行二衬施工。

4 质量检测

隧道衬砌质量检测主要对新建隧道的衬砌厚度、衬砌及支护后面空洞，衬砌内部钢架(或格栅)、钢筋分布等项目进行检测。隧道衬砌质量检测是对施工质量的合理评价，是保证施工质量和工程竣工验收的重要手段。根据检测结果，通过比较相关规范和设计要求对隧道施工质量进行合理评价，并为处置病害提供依据。

4．1 检测结果评定标准和判别主要特征

1)衬砌厚度检测。由于地质雷达法检测衬砌厚度存在±10%的理论误差，检测中以区段的实测平均值与设计值进行比较，判定隧道衬砌厚度是否达到设计要求［3］。

2)钢筋、钢架检测。隧道衬砌施工中，对某些软弱围岩段架设金属构件，提高衬砌的承载能力和衬砌的抗压强度、韧性。金属构件主要包括钢架、钢筋和钢筋网等，金属构件的间距、位置以及它们与围岩接触关系，一直是建设和施工监理部门特别关注的质量问题，金属构件的间距偏大与变形等，都会不同程度地降低衬砌支撑能力，引发质量隐患。

钢筋安装允许±10 mm(拱部)或±20 mm的间距误差;钢架间距允许的偏差为±100 mm［3］。

衬砌内部钢架、钢筋位置分布的主要判定特征应符合下列要求:

a．钢架:分散的月牙形反射信号;b．钢筋:连续的小双曲线形强反射信号。

实测数据处理时，在连续相同设计间距区段内累计钢筋或钢架数量，除以区段的长度，得到钢筋或钢架间距。钢筋以间距值进行评判，钢架以榀/米进行评判。

3)衬砌背后回填情况检测。衬砌脱空分为两种类型，即衬砌内部空洞和衬砌与围岩脱空。隧道衬砌施工中，振捣不均匀、回填不彻底或回填杂物，都会产生不密实，因振捣不均匀引起的不密实，称灌注不密实;因回填不彻底或回填杂物引起的不密实，称回填不密实。前者多发生于衬砌内部，后者多发生于衬砌背部。

衬砌内部积水和衬砌背部围岩含水，都会对隧道衬砌质量造成影响。衬砌内部积水不但对衬砌层具有溶蚀作用，而且还会在冬季结冰，体积膨胀，挤压甚至挤坏衬砌层;衬砌背部含水，无论是溶洞水还是构造水，对衬砌层都具有冲刷、溶蚀作用，严重时还会导致衬砌变形、破裂和坍塌等。

依据《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》的规定，衬砌背后回填密实度的主要判定特征应符合下列要求:

a．密实:信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号;b．不密实:衬砌界面的强反射信号同轴呈绕射弧形，且不连续，较分散;c．空洞:衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大［4］。

实测时按不密实、积水、空洞(脱空)及模板间脱空四种类型，给定衬砌背后回填缺陷情况。

4．2 检测方法及过程

隧道质量检测以地质雷达法为主，检测仪器采用美国GSSI公司生产的SIR-3000型地质雷达，配属天线400 MHz，900 MHz。

雷达检测测线以纵向布置为主，包括拱顶测线一条，左右拱腰和拱脚各一条，仰拱测线一条，共6条测线。考虑到要检测围岩情况，测试中以400 MHz天线为主，局部衬砌病害检测采用900 MHz天线。在检测中，应根据检测情况适当增加测线密度和横向布线以控制异常位置，来确保检测精度和准确性。除边墙和仰拱测线人工可直接操作外，其余测线的测量必须通过铲车焊接检测平台配合。

4．3 检测结论

雷达检测数据必须经过有效的数据处理。通过切除首尾段、方向调整等工作，根据分析处理目的对有效数据进行谱分析、滤波(压制干扰信号，提高数据的信噪比)、反褶积(压制多次反射波，提高信号分辨率)和小波变换(增强相关性较好的弱信号)，反复使用不同参数进行处理，达到层位、缺陷清晰可见的效果。然后根据介电常数，确定衬砌厚度，进行缺陷分析等工作，最终输出成果。

根据施工进度，塔韩铁路全线张家渠隧道和赵家湾隧道实时进行初期支护和二次衬砌质量检测，检测结果表明:1)根据隧道衬砌厚度实测结果分析，隧道检测段二次衬砌的波阻特征连续，衬砌厚度基本符合设计要求。2)本次隧道检测段二衬和初期支护钢筋、钢筋网和钢架分布符合设计要求。

5 结语

塔韩铁路全线的两座隧道地质条件差，围岩软弱，埋深浅，施工风险等级高，在施工开始前就将超前预报、监控量测和质量检测引入了整个施工过程，视作正常施工工序的一部分，检测成果实时反馈，有力指导了施工，目前两座隧道施工安全有序，质量可控。根据检测成果，可以得出以下结论:

1)软弱浅埋围岩隧道应坚持“管超前、短开挖、严注浆、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭、快衬砌”的施工原则，注意锁脚锚管施工质量，控制超挖，开挖后及时进行锚喷支护，确保喷层质量。同时仰拱应尽早闭合，二衬及时跟进。

2)超前预报、监控量测和质量检测是确保隧道施工安全和质量，保证施工进度，降低施工风险的有力措施，应贯穿隧道施工的整个过程。

［1］铁建设［2008］105号，铁路隧道超前地质预报技术指南［S］．

［2］TB 10121-2007，铁路隧道监控量测技术规程［S］．

［3］TB 10417-2003，铁路隧道工程施工质量验收标准［S］．

［4］TB 10223-2004，铁路隧道衬砌质量无损检测规程［S］．