隧道工程中软弱围岩检测技术研究

朱贤德，包寅杰

（浙江交科工程检测有限公司，浙江 杭州 311200）

隧道施工过程具有程序多、内容复杂、相互交叉、隐蔽性强等特点，如何加强超期地质预报、现场监控量测，确保隧道施工安全，已成为隧道施工过程中一个突出问题；如何保证隧道的施工质量、工程质量，已成为隧道施工过程工程检测中重之又重的关键问题。因此，隧道施工各阶段的超前地质预报、监控量测和质量检测也就成为核心问题[1]。

1 工程背景

1.1 工程概况

隧道左线起止里程ZK0+230～ZK1+497，全长1267m；隧道右线起止里程K0+280～K1+525，全长1245m。限界净宽18.25m，建筑物限高5m，拱顶圆半径为10.4m，净空面积为250.84m2。

1.2 地形地貌

坑道区属丘陵地貌，地形较为简单，两侧洞口为坡积型地貌，冲沟较为发育，山峰呈尖凸状，山坡度一般为18～30°。山峰总的走向是从东到西，高度的最高点和最低点分别为140m和20m。

2 TSP超前地质预报

通过地质勘查资料和设计图纸，了解到ZK1+140～K1+240为深部破碎带，并贯穿隧道洞体，位于破碎带发育段。利用TST超前地质预报方法，提前预测该段的地质状况，并与地勘资料和设计图纸进行核对，以指导施工。

2.1 设备仪器

TSP超前地质预报系统主要由超前预报仪、触发盒、起爆机、三分量传感器等组成。超前预报仪采用24通道数，频带范围为0.01～10000Hz；三分量传感器记录X、Y、Z方向传感器的波形[2]；采用爆破触发地震波。

2.2 数据采集

数据采集前应进行炮孔布置、传感器钻孔布置测试前准备等。具体炮孔布置与传感器布置如下：（1）传感器布设距最后一个炮孔20m，左右边墙对称布设，与炮孔在同一水平线上[3]。（2）地震波震源炮孔24个，根据主结构面走向布设在一侧，位于边墙距地面1.5m处，第一炮孔尽量靠近掌子面布设，炮孔间距1.5m，孔深为1.8m，炸药量为200g。（3）全部采用φ60mm风钻钻孔。（4）每个孔安装完毕后，必须用具有一定黏度的黄泥耦合和封堵。完成现场工作布置和仪器连接后进行数据采集。

2.3 数据处理

采用TSPwin对TSP采集的数据进行分析，获得物理参数及反射界面分布等成果。利用获得的VP、VS、VP/VS、泊松比、杨氏模量等物理参数及反射情况综合预报隧道存在的溶洞、软弱岩层、破碎带及富水带等不良地质体。在数据处理过程中要结合隧道开挖面的实际情况进行综合分析。为了便于预测结果与实际开挖结果之间的相互验证，应给出TSP成果图。

2.4 检测结果

（1）ZK1+140～ZK1+180，长40.0m。岩体波速在2.0km/s以上，岩体较为完整，节理裂隙较为发育，主要为密闭型和微张型裂隙，稳定性好，属弱风化石英岩。其中，ZK1+145～ZK1+150及ZK-1+165～zK1-170段反射界面密集，波速波动大，岩体破碎程度较大，属强风化石英岩。

（2）ZK1+180～ZK1+240，长60.0m。岩体的波速在2.1m/s左右，岩体比较完整，节理裂隙比较发育，主要为密闭裂隙和微张裂隙，稳定性较好，属于弱风化石英岩，施工时应注意岩块的掉落，并做好支护措施。

根据对TSP法超前预报所收集到的资料分析结果，预测了隧道开挖工作面前围岩破碎带的分布情况和节理裂缝的发育情况，推算出ZK1+140～ ZK1+150、ZK1+165～ZK1+170存在着破碎带。预报结果与开挖结果基本一致，并对ZK1+195-ZK1+240地勘资料和设计图纸作了补充，为施工方加强支护措施提供了依据。

3 隧道现场监控量测

3.1 建立基准点

隧道入口和出口浅埋段和隧道深度小于30m的隧道，以及在沉降段外5倍孔直径处的水平基准点（水平基准点设置、长期保存和观测需要确保坚固的点）作为每个观察点高程测量的基准。根据该工程隧道的地质地形，在隧道左右洞口的一定距离处分别设置水平基点，形成观测站的水平基点和水平控制网。

3.2 监测量测数据的收集、分析和处理，并反馈信息

（1）获取数据。放置观察断面点后，可以使用监视仪器收集数据。现场数据收集至少由2名专职人员负责，每个数据段至少连续测量3次，并将数据记录在相应的原始记录表单中。测量时，首先记录当时的施工环境（如天气、温度、湿度），然后记录该段的里程数和该监控时间及日期。对于收集的每个数据，必须可用于分析和处理的数据处理程序。监控中，可根据位移率的变化及与开挖断面之间的距离提高或降低监控频率[4]。

（2）分析和处理实测数据。①根据监测测量所收集的数据，绘制各断面围岩和支护结构的变形曲线，并根据该断面围岩稳定性是否随时间减少，初步确定该曲线各段的可变率；②使用回归分析对监测段数据进行进一步回归分析，确定最佳回归分析功能，估计围岩未来发展和变化趋势；③基于信息反馈和预测。收集的监测数据，采用数学和岩石力学相结合的方法构建信息反馈预测的隧道围岩模型，进行围岩数值计算和支护结构的内力分析，并将结果应用于隧道施工。

3.3 监测地表沉降变形的结果与分析

对地表ZK1 245的岩体进行了Ⅴ级软弱围岩分析，其岩石学为页岩、泥质砂岩，岩石结构和破碎稳定性较差。5个监测点的整体变形曲线表明，隧道开挖和挖空区域的表面沉降大于未隧道的区域，离隧道中心线越远，沉降越小，隧道开挖正上方，即拱顶a点正上方的表面沉降变化最大。此外，隧道初期支护完成后，由于围岩与支护结构的相互作用，地面沉降最终趋于稳定（收敛）。

4 探地雷达质量检测

4.1 线路布置图

（1）衬砌质量检查。隧道施工中，初期支护和二次衬砌质量检查主要是纵向布线。隧道在水平方向共有5条测量线，分别为拱顶、左右拱腰以及左右侧墙。三车道隧道需要在隧道拱顶部分加2条调查线。

（2）检查仰拱。检测仰拱也基于纵向布线，横断面布线作为辅助。测量线在隧道中心线的左侧和右侧分别沿着2m（测量线a和测量线b）的垂直方向放置，通常在发现距离为6～8m的无效线段时，可以沿隧道水平加测。

4.2 数据处理

通常需要软件进行处理后获得有助于解释的结果或图像。雷达收集的原始数据中既有有用的信息，也有各种噪声，还有些被噪声掩盖。因此，原始数据通常经过后期软件处理，以获得有助于解释的结果或图像。数据处理的目的是抑制噪声，改善信号，提高数据的信噪比，提取数据的速度、振幅、频率、相位等特性信息。

4.3 探地雷达结果解析

（1）钢支撑。中钢支撑衬里混凝土（钢拱、格栅钢框架等）、雷达剖面的反射信号是分布式新月形的强反射信号，表示每个反射信号都有一个钢拱结构。该雷达剖面，除扰动波信号外没有其他异常反射，衬砌混凝土结构很密集，同时后部围岩紧密结合。

（2）空洞及不密实带。脱空及不密实典型的雷达剖面如图1所示。从图1中可以看出，普通二次衬砌后背脱空，具有反射波信号强、三振相明显、底面反射界面强烈等特点；初期支护具有背部回填不紧密，反射波多、杂，反射波能量强度大变化等特点。

图1 脱空及不密实典型的雷达剖面

5 结论

在隧道施工过程中，通过上述方式方法可以保证隧道工程的安全，保证质量，保证工程进度，降低风险。

（1）该隧道工程采用TSP方法进行超前地质预报工作，作为地质预报探测手段，对围岩中的软弱构造带、断层和破碎带等不良地质体具有较好的预报效果。选择该隧道部分具有代表性的超前地质预报成果，对ZK1+145～ZK1+150/ZK1+165～ZK1+170岩体进行了破碎预测，并对ZK+195～ZK1+240岩体的破碎预测结果进行了验证，是对地勘资料的一种有益补充。

（2）制定监测量测的具体实施方案，并在地面沉降观测中进一步确定支护和围岩变形情况，这对现场施工提供了可靠的保证。

（3）探地雷达探测数据要进行有效的数据处理，首先采用调整方向等操作，并反复使用各种参数进行处理，可达到层次分明、缺陷清晰的效果；然后根据介电常数确定内衬的厚度，进行缺陷分析等，并输出结果。