优化掌子面编录系统在隧道地质超前预报中的应用

陈小强，杨昌盛，王宇斌

中建市政建设有限公司，北京 100073

0 引言

隧道施工中，实际围岩状况与原设计不符的现象是屡见不鲜的。如果不能及时的对掌子面前方地层情况进行预测，一味地按照设计围岩级别进行开挖支护，很容易造成施工中掌子面塌方，不仅延误了工期，也给工程质量造成一定的影响，因此施工过程中对掌子面前方地质状况预报的重要性日益显露出来[1]。掌子面编录法是对开挖后隧道掌子面的地质状况在现场调查，并进行编录，采集必要的数据。包括对掌子面地层岩性、岩层产状、节理产状及间距、断层面产状、条带状不良地质体、溶洞等进行详细编录，依据掌子面揭露的不良地质体产状、单壁始见位置，通过一系列三角函数运算，求得该条带状不良地质体在隧道两壁上下和拱顶的边界位置，计算其影响的隧道长度[2]。本文依托某高速公路隧道的施工，对传统的掌子面编录法进行优化，采用图形延伸法取代了三角函数的运算，使得掌子面现场描述更加简洁，隧道地质信息具备直观性和连续性，可以更好地为隧道地质预报进行服务。

1 掌子面编录系统介绍

1.1 信息采集及录入

掌子面地质信息的采集是建立隧道地质信息的基本要素。根据隧道施工的特点，每次开挖后在现场对掌子面进行描绘记录，具体要求编录的信息包含：工程名称、桩号、日期、时间、掌子面素描图。然后将掌子面素描图在电脑中进行重新绘制，再按照桩号将掌子面观察记录登记到数据库中（如图1所示）。

图1 信息采集编录流程

1.2 生成地质展开图

通过数据库中的掌子面信息，生成并输出掌子面地质展开图（如图2所示），根据地质展开图绘制隧道地质立体图（如图3所示）。

图2 掌子面地质展开图

图3 隧道地质立体图

通过以上信息处理，得到连续的掌子面地质展开图以及隧道地质立体图，为下一步进行图形延伸预报掌子面前方地质情况提供了基本信息。

1.3 地质预报

隧道掘进过程中，溶洞、断层破碎带、砂砾层等不良地质体在出现之前，一般都会出现前兆标志，其地质体是具有渐变性的[3]，根据这一理论，在地质展开图及地质立体图中将掌子面向前推进一个循环进尺，并将不良地质体界线进行线性延伸，即可得到掌子面前方3m～4m处地质状况，达到长期跟踪短距离预报的目的。

2 工程应用

2.1 工程概况

某高速公路隧道围岩由第四系全新统残坡积碎石土及奥陶系下统白云质灰岩组成。前者属土质围岩，土质不均，分选差，含30%～40%粉质粘土中密状态，围岩自稳能力差，洞室开挖时易坍塌，成洞困难。后者为石质围岩，岩体节理裂隙较发育，呈中厚层-中薄层状结构，间夹薄层状泥质条带灰岩、角砾状灰岩，岩溶发育，溶洞内常填充含砾粉砂土，容易发生较大规模的塌方，对隧道的开挖支护施工造成很大的威胁。

2.2 隧道溶洞预报及处理

本隧道施工中采用掌子面信息编录系统对隧道地质进行短距离预报，以及时进行开挖方式的调整，并根据不良地质体的情况及时进行支护参数的变更。在现场跟踪地质编录过程中，ZK6+986掌子面左侧拱腰处出现一处含砾石粉砂夹层，夹层稍湿，砾石平均粒径10～15cm，夹层尺寸约为0.5m（高）×1m（宽），ZK6+989掌子面处夹层发展扩大为2m×3m，且夹层位置向拱顶发展（掌子面地质展开如图4所示），开挖后有砂砾流出现象。

图4 ZK6+986、ZK6+989处掌子面地质展开图

通过掌子面信息编录系统对ZK6+992掌子面地质图进行预测，其结果如图5所示，显示ZK6+992拱顶左侧将出现一个较大溶洞。

图5 ZK6+992掌子面预测地质图

此段设计围岩级别为Ⅲ级，台阶法开挖，每次开挖进尺3～3.5m，初期支护参数为每环17根B22全螺纹早强药包锚杆，A8钢筋网，I12.6钢拱架支撑，拱架间距1.2m，喷C25混凝土18cm。根据掌子面地质展开图绘制出地质立体图，并按照线性延伸溶洞边界线，预测到掌子面前方拱顶左侧将出现一处大溶洞，爆破后可能出现塌方。

处理措施为：1）对ZK6+989掌子面夹层处进行喷射混凝土封闭；2）对预测溶洞处打设3.4m长A42超前钢管，并注水泥浆；3）每次开挖进尺0.8m～1m，开挖后立即对掌子面进行喷射混凝土封闭；4）采用I18钢拱架支撑，拱架间距0.8m。

经处理后开挖至ZK6+992掌子面地质状况与预测图十分吻合。

3 结论

1）优化的掌子面编录系统具有地质情况连续表示的优势，能让隧道施工管理人员更直观的掌握隧道地质情况；

2）本编录系统可操作性强，数据处理便捷，对施工管理人员的技术要求低；

3）通过工程实际的验证，该编录系统具有很好的地质预报效果，施工管理人员通过掌子面编录系统的应用，对隧道施工具有一定的指导意义。

[1]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]刘志刚，赵勇.隧道隧洞施工地质技术[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[3]刘志刚.概论岩溶或地质复杂隧道隧洞地质灾害超前预报技术[J].铁道建筑技术，2003(2)：1-5.