软岩隧道围岩松动圈内窥镜检测技术研究

张倪、李占峰

（四川绵九高速公路有限责任公司，四川绵阳 621000）

0 引言

当围岩所受应力小于下降后的自身强度极限时，围岩将处于弹塑性状态[1]。而当围岩所受应力大于下降后的自身强度极限时，围岩将发生破坏，并不断从隧道周边向围岩深部扩展，直到达到新的应力平衡状态。这个过程中形成的破裂区域称为围岩松动圈[2]。因此，确定软岩隧道围岩松动圈的范围是分析隧道稳定性的一个关键因素。影响松动圈范围的因素有很多，如爆破开挖的药量、开挖的方法、岩体强度、断跨度、地应力等。精确探测围岩松动圈范围可以准确掌握软岩隧道开挖对围岩的影响范围及程度，进而对隧道衬砌系统支护参数进行合理修正，并为软岩隧道的开挖和支护提供技术支持与指导。因此，加强对软岩隧道围岩松动圈范围检测技术的研究有重要意义。

1 测试原理

常用的松动圈测试方法有声波法、多点位移计法、地震波法、地质雷达法等[3]。然而，上述方法都存在适应性差、准确性低、实操性弱等缺点，测试时需要采用特种仪器，且对操作人员的技能要求高等特点。经工程实践验证，钻孔内窥和孔内成像技术，可以更简单、直接地确定围岩松动圈的范围。钻孔内窥是一种多学科通用工具，其功能是可对狭窄结构内部进行可视化探测。通过内窥的方法，可以实现对狭小内部空间和特殊环境下，人视力无法直接观测到的区域进行质量检查。其工作原理是利用转像透镜光学技术传送照片，为了传送清晰的照片，内窥镜镜头加设冷光源及图像放大装置（见图1）。

图1 摄像头工作原理

围岩松动圈的确定可为锚杆长度确定提供依据。九绵高速公路项目用微型摄像或录像在8m 深的炮眼中实测松动圈的范围，测法直接，判断可视、主观，且方法经济、可行，是九绵高速自主、实用的新技术之一。

根据《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》（JTG/T 3374—2020）6.4.6，瓦斯地层每循环开挖应加深炮眼孔探测瓦斯，加深长度不小于2m[4]。内窥镜瓦斯超前探孔与此项条文异曲同工，且不仅适用于瓦斯地层，在富水、岩溶、突泥等复杂地段同样适用。

2 案例概述

九绵高速公路运用钻孔内窥和孔内成像的新兴技术，探测围岩松动圈的范围。白马隧道是九绵高速公路控制性工程，全长13km，岩性多为薄层状结构，层间结合较差，炭质板岩层间多附光滑镜面，受构造力的强烈作用，埋深大，地应力量级较高，开挖后变形较大，同时炭质板岩具有遇水软化等特性。该座软岩隧道很具有代表性，具有高海拔、高地应力、低瓦斯等特点。选取左线K40+600 左侧边墙，采用锚杆钻机钻设8m 深探孔，运用内窥镜拍照（见图2）。

图2 K40+600 左边墙内窥镜成像

按照每0.5m 拍摄1次，通过照片对比分析，发现在4m 之后孔壁圆顺，无明显变形，推测围岩松动圈为开挖轮廓线外4m。现场采用支护参数为Db，系统锚杆采用长短结合的方式：短锚杆为φ42 注浆小导管，长度3.5m/根，注浆加固松动圈；长锚杆为φ32 自进式锚杆，长度6m/根，锚入持力层。根据成像探测松动圈范围，采取的长短锚杆锚固措施满足变形控制的要求。后续监控量测控变形稳定后，累计收敛变形365mm，累计拱顶下沉149mm，满足设计预留变形量400mm 的变形要求。

根据变形回归曲线分析，符合软岩隧道变形特征，前期隧道变形加剧。随着时间推移，逐渐趋于平稳，但随着应力释放，以及在裂隙水的作用下，累计变形逐渐增大。最终测定，稳定在365mm 左右，满足预留变形量预设计要求。

3 运用MATLAB 软件进行验证

参照国内外研究状况，选用MATLAB 软件进行图像处理，与内窥镜反映结果进行双向结果验证。

通过图像处理最终以裂隙率指标进行评判（见图3、图4）[5]。

图3 不同深度裂隙率趋势图

图4 不同深度图像处理

通过数据分析，在0.5～3.0m 区间内，裂隙发育，裂隙面积占比较高，在3m 之后数据有较大波动，裂隙率下降较快，在4～8m 之间裂隙面积占比基本无大的变化，与现场影像反馈一致，也很好地验证了应用结果。初步判定，该试验段围岩松动圈大致范围为3～4m，所以处置范围大于4m 才能有效抑制隧道变形，与现场实际相符。

4 加深炮孔超前地质预报案例

在白马隧道右线YK41+290 掌子面，采用多功能钻机钻设8m 深超前探孔，运用内窥镜拍照（见图5）。

图5 K41+290 掌子面内窥镜成像

通过内窥镜成像照片，在室内分析YK41+290—YK41+298 段围岩情况：0～2m 为炭质板岩，内壁粗糙，裂隙发育，岩体间有软弱夹层；2～5.5m 为炭质板岩局部夹千枚岩，总体内壁光滑，局部有软弱夹层，岩体较破碎；5.5～8m 为炭质板岩夹千枚岩，内壁粗糙，裂隙极发育，孔底1m 范围有镜面状结合面，岩体极破碎。整个钻孔段落内，无明显地下水。

HSP-BMSD-PXYD-032 超前地质预报（见图6）的物探成果能量反射较强，反射杂乱，强能量反射团块杂乱分布，结合掌子面地质情况推测，该段围岩主要为炭质板岩夹变质砂岩，局部有千枚岩夹层，受构造影响围岩节理裂隙发育，岩体破碎，局部呈破碎散体状，无支护时侧壁、拱顶易掉块坍塌，该段地下水弱发育。

图6 掌子面HSP 超前地质预报测试成果切片图

超前钻孔拍摄结果分析与HSP 超前地质预报结果基本一致，且更加精细、准确、直观。两种方式对比：采用HSP 超前地质预报，专业人员、设备投入比较大，与施工现场交叉施工，功效较低；采用内窥镜，无须专门的人员、设备，且能够与打钻开挖工序同时进行，快速高效，图形直观可见，成本基本为零。

5 结论

其一，九绵高速公路项目采用8m 深的炮眼，用微型摄像或录像实测松动圈的范围，通过内窥镜传送清晰图像判定松动圈的大致范围。围岩松动圈的确定可为确定锚杆长度提供依据，测法直接，判断可视、主观，且方法经济、可行，是九绵高速公路自主、实用的新技术之一。

其二，为了验证判断结果的准确性，运用MATLAB 软件进行双向验证。通过灰度测试，用孔隙率指标判断照片反映的信息，判定结果与照片反映情况一致，说明该方法操作上可行，结果判定上可靠。

其三，采用超前水平钻孔方式，进行隧道施工期掌子面前方地质超前预报，是隧道施工期地质超前预报方法中最直接的方法。可通过钻孔钻进速度，测试获取隧道掌子面前方岩石（体）的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及地下水状况等诸多方面的直接资料。采用此方法，不仅可以确定隧道掌子面前方地质情况，而且可以起到探水的作用。超前水平钻孔是隧道地质勘探最直接的方法，但由于其成本高目前无法普遍采用。九绵高速公路项目采用加深炮眼（2～5m），并配以微型摄像仪进行孔内影像的采集，由专业地质工程师进行室内分析和判断，对前方小净距的围岩情况、水文条件、有毒有害气体和不良地质情况进行综合探测，取得了良好效果。