市政隧道施工超前地质测量及预报技术研究

王宇平

摘要 市政隧道既面临常规隧道施工风险，又面临市政环境带来的特殊施工风险和要求，对地质测量和预报的要求更高。案例市政隧道工程采用CRD法进行施工，为了及时验证或调节支护设计参数，保证施工调控决策正确和操作安全性，应用地质雷达测量技术和HSP反射波测量技术，从工前地质测量、施工中超前与即时监测入手，加强超前地质通报、预报和警报，避免后知后觉带来的风险和损失。梳理介绍其相关超前地质测量及预报技术，可为市政隧道超前地质测量、预报和安全施工提供技术借鉴。

关键词 市政隧道施工；地质测量；超前预报；技术研究

中图分类号 U452文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0066-03

0 引言

隧道建设施工需要了解地下岩土和水文等情况，需要獲取围岩厚度、结构稳定性等信息，借以指导施工过程，根据实际情况制定完善的施工计划，选择合适的作业方法，在保证隧道工程安全的同时提高施工效率。隧道施工需要密切关注和防范坍塌、滑动、崩落等工程风险，需要及时、有效地超前预报地质和围岩状态，以便及时发现和处理安全隐患，避免后知后觉，给工程和施工人员带来巨大的风险和损失。

对于市政隧道建设工程而言，除了具有上述共性风险以外，还要面临各种地下管网、地面基础设施、耦合的地表承重状态以及复杂的地下水状态等复杂状况，另外，融入型、环保型工程施工理念要求市政隧道施工不要危害在使用建筑的安全和在运行设施的安全运行状态，要考虑噪声、灰尘、振动等不良影响，考虑交通管制和绕行方案等，无不要求市政隧道建设过程中，必须充分强化施工地质超前预测和评估，确保不发生重大安全隐患，避免给城市生产生活秩序造成较大的影响[1]。

案例市政隧道工程位处于我国西南地区一处半封闭的山间盆地，区域岩溶发育，第四纪沉积薄而宽，泥岩和页岩风化严重，工程面临极其复杂的地质条件。该工程针对地质测量和预报的重点和难点，围绕隧道围岩形变、地面沉降和爆破振动的检测工作，建立隧道工程检测预警系统，有针对性地开展地质检测、预报和警报工作，为工程施工决策提供了充分的测量依据，圆满完成了隧道建设任务，很好地保证了隧道工程、地面建筑物和居民的安全。这里结合工程应用，梳理介绍相关超前地质测量及预报技术，以期为市政隧道施工的地质测量与预报应用提供参考。

1 工程概况

案例是一座位于西南地区某市百花山地区小净距市政工程隧道，双向6车道，高8.01 m，长2×560 m，跨度35.00 m。K0+530区域有一条南北向F1断层，其东侧K0+530至隧道出口，分布夹杂着煤线层的二叠系龙潭组碳酸岩，地层倾角平缓，产状约129°∠14°；西侧K0+400～K0+530区间分布着三叠系大冶组碳酸盐岩，偶见厚度较小的碎屑岩，产状约245°∠30°。工程地质问题主要有地下水发育、岩溶发育、地表风化严重、埋深比较浅、濒临城市建筑、区域地下管线较多，地表易发生坍塌或不均匀沉降。

其中隧道洞口存在危岩体、破碎带、岩溶、煤层，并且埋深浅；K0+420～500区间强风化、偏压；K0+530～580区间，穿越一座变电站，周边地下管线密集；K0+590～700区间明挖可能引发相邻建筑物发生不均匀沉降；K0+700～915区间经过金石小区，区域有5栋居民楼，1个游泳池，1处停车场和1座电塔。隧道开挖一旦引发不均匀沉降，严重威胁这些地面设施的安全。

该隧道工程采用CRD施工法，该方法也称交叉中隔墙施工法，对控制地面沉降功效较好，常用于软弱地层条件的隧道施工和城市地铁隧道的施工过程。山岭隧道由于造价高，较少使用该方法，但在特殊状态下如膨胀土地层也可以采用。该方法规定大截面隧道分成4个相对独立的小隧道，采用预留核心土的方式进行施工。CRD施工方法遵循“短台阶、小分部、短循环、快封闭、强支护、勤量测”的作业原则，采用分块成环的方式，自上而下进行，随挖随撑，以保障初期支护工作及时有效。在初期支护结构加持的拱顶收敛和沉降达到基本稳定后，施工人员便可自上而下拆卸临时仰拱及临时中隔壁墙，继续开展下一阶段的施工工作。

2 超前地质预报的实施

CRD工法适用于开挖跨度比较大，对围岩沉降形变的控制要求严格的场合。采用CRD工法开挖时，施工人员将每一步开挖的局部封闭成环形结构，不仅兼具了双侧壁导坑法和台阶法的优势，而且更有利于围岩稳定，从而保障了施工安全。采用CRD法进行施工，为了保证施工的安全性，保证施工调控决策正确，及时验证或调节支护设计参数，非常有必要开展有针对性的围堰地质检测和超前分析预报工作。案例隧道施工地质预报主要是针对破碎带和岩溶带的预报，重点和难点是岩溶地质预报。按照占用时间少、方法简单、预报准确的要求，案例隧道的地质预报采取地质雷达测量方法和HSP声反射测量法。

2.1 地质雷达测量

进口段K0+590～700区域的隧道埋深比较浅，测量采用Zond-12eGPR型地质雷达，75 MHz天线。沿硬化路面铺设测线。

测量结果显示，案例隧道入口K0+590～700区段的埋深极浅，适合采取明挖法进行施工。区段地下水发育、风化严重、岩体破碎、地质条件差，开挖施工前应注意：详细查明地下管线的位置与深度，并有必要制定好应急处置方案；在隧道初始支管后面拦排地下水；采取强支护、弱爆破、短进尺等措施，仰拱施工要及时并且要成环封闭充分；强化隧道内的临时横撑，避免局部开挖和地表沉陷引起过大的侧向形变。

2.2 HSP反射波测量

掌子面前33 m范围采用智能ZGS1610-3探测仪及其配套系统开展HSP反射波测量。现场配置6个测区，岩体的平均声速测试结果为2 178 m·s?1。其中掌子面ZK0+421检测结果见表1所示。

2.3 超前综合地质分析

案例隧道围岩级别与检测结果见表2所示。参照检测结果，施工单位提前在开挖操作过程中采取了防护措施，有效克服了溶洞、涌水、涌泥等影响，确保了施工安全顺利进行[2]。

3 案例隧道施工监测要点

3.1 监测项目

施工监测的目的在于提供准确、及时的地质和工程参数信息，为规范施工决策、验证和调节支护参数提供数据依据，以保证隧道施工安全。参考隧道施工安全控制要求和案例隧道的施工监测实施大纲的具体要求，该工程的监测项目主要包括：掌子面岩体地质素描、隧道拱顶下沉，隧道净空收敛、爆破震动影响测量以及地面沉降状态测量等5个方面。

3.2 测点配置

拱顶下沉和净空收敛的截面间距，应根据设计规定的围岩等级确定，分别为Ⅲ级（20～30 m）、Ⅳ级（15～

20 m）、Ⅴ级（10～15 m）和Ⅵ级（5～10 m），对断层破碎严重的区域，给予适当加密。围岩稳定性测点配置见图3所示。上、下半段各配设一条水平基线供净空收敛测量参照，高度分别位处边墙和拱腰1.50～2.00 m区域；拱顶下沉测量，按3个测点配置。

3.3 监测等级与对策

掌子面地质素描3个施工周期或每8 m进尺绘制1次。当岩性变化显著出水量增加时，要加强观测。参考测量截面与开挖面的距离或开挖推进速率确定拱顶下沉和净空收敛的监测频率，详见表3所示。为确保隧道施工安全，需要正确利用检测数据指导和控制施工决策，为此该隧道工程制定了检测管理值，详见表4所示。该值经业主、设计、监理、施工、检测单位等多方讨论通过，并根据现场测量进行调节和完善。总体包括下述3个标准：即围岩形变最大移位的判断标准、围岩形变速率的判断标准、根据形变曲线判别围岩稳定性状态的标准[3]。

预警分2个阶段，当检测值超过预警值的70%时，应在日报表中注明，以引发有关各方的注意；当检测值触及预警值时，除了日报表中注明以外，还须向业主、监理、施工单位进行专门通知。

3.4 围岩稳定性和地面沉降检测

案例工程施工过程中连续开展现场监测，围绕108对净空收敛测量点，63个地面沉降监测量点和114个拱顶沉降测量点，拿到掌子面地质素描55幅，提交围岩稳定性预报22份，预警120份。

现场采集数据，采取离散性与偶然误差分析，促进测量数据相互验证，以保证测量结果的可靠性。在此基础上，探索围岩应力应变状态，判断围岩的稳定性，预测变化率或最终值，为合理选择支护体系提供参考。隧道开挖过程中，地层中构成新的自由面，初始地应力情况下的平衡因此被打破，围岩应力应变因此形成新的分布状态，尤其是在挖掘阶段，隧道拱顶下沉的速率大，形变明显。

参考形变状态的发展，施工单位采取强化横向支承、增加锚件、调整小导管数量和长度、对围岩进行注浆加固、适当降低药量、缩短进尺、强化超前支护力度等措施，应对开挖对岩体稳定性的影响，最终成功开挖通过了该地质段。

3.5 爆破振动监测

采用爆破振动测量仪对临近的金狮游泳馆、五桂变电站、万东花园等建筑，进行爆破振动检测，共进行了91次检测，振动速度最大值多在0.20～1.50 cm·s?1，但存在6次突破规定值2.5 cm·s?1的情况，数值分别是2.78 cm·s?1、2.78 cm·s?1、2.71 cm·s?1、2.98 cm·s?1、3.29 cm·s?1和2.59 cm·s?1，因此建议适当减少爆破药量，以防止对临近建筑的破坏。

3.6 综合分析监测成果

因为地质和临近建筑的基础条件影响，2011年5月30日右洞YK0+876.5～YK0+890段发生地面塌陷，在地面构成南北长13.60 m，东西长13.60 m，深度约10 m的漏斗塌陷，塌陷量约在1 200 m3。2011年5月27日后的3 d内，YK0+860～YK0+880附近溶洞拱顶及相应地面下沉速率发生突变，超过设计允许值7 mm·d?1。综合地质条件其原因分析如下：

（1）掌子面（YK0+880）岩性主要为中－强风化泥岩，围岩等级为Ⅴ级，岩体破碎程度较高，地下水发育，遇水极易软化。

（2）从拱顶至地面，该段隧道埋深25.50 m，有效岩层厚度低于10 m，松散盖覆层厚度大于15 m，主要为第四系松散堆积物和强－全风化泥岩，岩体破碎程度高，稳定性差。

（3）地下水较发育，拱顶的强－全风化围岩和松散堆积物含水，导致隧道内中－强风化泥岩遇水易软化，造成拱顶坍塌。

在上述分析的基础上，提出施工应对建议和措施，为后续的安全施工和隧道顺利贯通提供决策和技术支持。建议包括：强化洞内和地面的监测工作，加密测量频次，及时反馈监测信息；强化堵水和超前注浆加固措施，如钢拱架挂网和喷射混凝土；严格遵循CRD法开挖施工规范，加大初期支护和临时支护力度；及时制作仰拱和标准闭合成环；紧随其后开展二衬施工。

4 结语

综上所述，对案例隧道工程超前地质测量及预报技术进行了梳理研究：介绍了案例隧道工程所采用的CRD施工方法与地质雷达测量技术和HSP反射波测量技术。运用超前地质测量与预报技术，对案例工程从施工前地质条件全面测量和施工中地质、围岩、结构状态的即时跟踪检测两个方面，加强超前和即时的地质、围岩、结构状态检测，并以通报、预报、警报的方式，使检测成果在施工中发挥影响或控制作用。案例市政隧道的施工超前地质预报，紧紧抓住围岩形变、地面沉降、爆破振动影响展开，建立隧道工程检测预警系统，有针对性地开展地质检测、预报和警报工作，为工程施工决策提供了充分测量依据。针对案例隧道洞口浅埋和不对称，地质岩体主要由中－强风化泥岩和灰岩组成，岩体破碎，地下水发育，且状态复杂，地面建筑物密集、地下管线交错等问题，通过有效的施工地质岩体检测数据、分析和预警，为上述复杂环境施工提供了坚实有力的技术支撑，是工程得以顺利完工的重要保证。该地质超前预报和监测技术对同类隧道工程的地质测量、跟踪技术检测具有参考意义。

参考文献

[1]何发亮， 李苍松， 陈成宗. 隧道地质超前预报[M]. 成都：西南交通大学出版社， 2006.

[2]陳成宗， 何发亮. 隧道工程地质与声波探测技术[M]. 成都：西南交通大学出版社， 2005.

[3]李苍松， 何发亮， 丁建芳. 武隆隧道岩溶地质超前预报综合技术[J]. 水文地质工程地质， 2005（2）： 96-100.