基于綜合探測(cè)與量測(cè)方法的雙線鐵路隧道出洞研究

蔣艷君

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著我國鐵路交通建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，我國高速鐵路建設(shè)取得了一系列的成就。在鐵路隧道建設(shè)領(lǐng)域，各類不良地質(zhì)預(yù)報(bào)方法運(yùn)用于鐵路隧道建設(shè)過程中，有效地減少了安全事故。蔡盛[1]運(yùn)用短期物探與長期物探相結(jié)合，并參考鉆探揭露的水文地質(zhì)信息，保障隧道安全施工和隧道進(jìn)度。唐宇豪等[2]分析了彈性波法與電磁法探測(cè)機(jī)理，提出一種適用于施工干擾環(huán)境下的隧底巖溶物探方法，成功避免了隧道建設(shè)過程中的隧底巖溶危害。閆強(qiáng)剛[3]使用地質(zhì)雷達(dá)法結(jié)合鉆探對(duì)含導(dǎo)水構(gòu)造巖層進(jìn)行探測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效提高含導(dǎo)水構(gòu)造巖層工作效率。王剛[4]將電導(dǎo)率反演方法運(yùn)用于隧道不良地質(zhì)災(zāi)害中，有效預(yù)報(bào)了隧道不良地質(zhì)災(zāi)害。將地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合掌子面地質(zhì)素描信息作為隧道短期不良地質(zhì)災(zāi)害判據(jù)，并調(diào)整相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)措施，已在目前隧道施工中廣泛應(yīng)用[5]。在隧道出洞的過程中，各類風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性較大，并且隧道掘進(jìn)對(duì)出洞位置附近的原有第四系覆土、植被等有不良影響，需要將不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)判與隧道出洞的風(fēng)險(xiǎn)管控措施、技術(shù)措施緊密結(jié)合起來，以保障隧道出洞安全、高效、綠色和低耗。

1 工況介紹與技術(shù)路線

五豐坡隧道為宣城至績溪高速鐵路單洞雙線隧道，隧道全長3503.38 m，最大埋深約254.9 m，正洞開挖斷面尺寸為152 m3。出口下方臨近戈溪河，施工便道無法到達(dá)隧道出口，管棚無法施作，隧道出口航拍圖如圖1 所示。僅能由洞內(nèi)向外開挖出洞。

圖1 五豐坡隧道出口航拍圖

為保障隧道出洞過程中施工人員安全，避免出現(xiàn)技術(shù)失誤，該文以宣績鐵路五豐坡隧道出洞為研究對(duì)象，首先在出洞前使用TSP 彈性波反射超前預(yù)報(bào)措施，對(duì)隧道進(jìn)行長距離的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判，再使用地質(zhì)雷達(dá)和地質(zhì)素描法對(duì)掌子面前端近區(qū)的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行細(xì)致探測(cè)，進(jìn)而確定爆破參數(shù)和支護(hù)技術(shù)措施。在隧道掘進(jìn)的過程中，充分進(jìn)行洞內(nèi)圍巖監(jiān)控量測(cè)和地表沉降觀測(cè)記錄，作為隧道掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判的重要依據(jù)。同時(shí)使用全息掃描儀對(duì)開挖面進(jìn)行斷面掃描，確定隧道斷面的開挖效果的變形規(guī)律。通過上述綜合探測(cè)方法與技術(shù)措施，隧道順利出洞，可以節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，該文技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 技術(shù)路線圖

2 長距地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)

在隧道出洞綜合探測(cè)方法中，首先使用彈性波反射法（TSP 法），以查明出洞段較大范圍的前方地質(zhì)情況，TSP 法具有預(yù)測(cè)范圍大、探測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以為隧道后續(xù)精細(xì)化探測(cè)提供參考。

預(yù)報(bào)隧道邊墻都應(yīng)布置爆破鉆孔進(jìn)行重復(fù)測(cè)量；施測(cè)時(shí)隧道中應(yīng)沒有其他振動(dòng)源，以免影響試驗(yàn)效果和計(jì)算精度。計(jì)算結(jié)果判斷依據(jù)如下：1）彈性波反射激勵(lì)幅值越大，說明此處巖體的波阻抗和反射系數(shù)的差異越高。2）發(fā)生正反射的巖體為剛性系數(shù)較大的巖體，反之為較小的巖體。3）如果S 波反射強(qiáng)度高于P 波的反射強(qiáng)度，說明此處巖體含水量較大。4）如果P 波與 S 波波速大幅度提高或泊松比δ突然增大，說明此處巖體存在一定量的流體。5）如果P 波波速變低，就說明巖體中的孔隙較多。五豐坡隧道TSP 預(yù)報(bào)的計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 物性變化圖

根據(jù)圖3 的數(shù)據(jù)庫處理計(jì)算結(jié)果并結(jié)合上節(jié)判斷依據(jù)，可以得出探測(cè)段的以下地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果：DK144+900.8~DK144+909段，P 波波速為3032m/s~3135m/s，該段縱橫波速度均呈升高狀態(tài)，預(yù)測(cè)結(jié)果為圍巖情況較掌子面稍好，巖體弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化。巖體為較破碎，同時(shí)節(jié)理裂隙發(fā)育。DK144+909~DK144+923段P 波波速為2864~2850m/s，該段縱橫波速度、楊氏模量下降，預(yù)測(cè)結(jié)果為圍巖弱～強(qiáng)風(fēng)化，破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育。DK144+923~DK144+933 段P 波波速在2893~3048m/s，該段縱橫波速度、楊氏模量較前段升高，預(yù)測(cè)結(jié)果為該段圍巖強(qiáng)度有所提高。巖體為較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。DK144+933~DK144+976.46 段P 波波速在2355~3122m/s，該段縱橫波速度、楊氏模量下降，預(yù)測(cè)結(jié)果為該段圍巖強(qiáng)度下降，弱~強(qiáng)風(fēng)化。

3 短距地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)

在TSP 預(yù)報(bào)所得長距預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，短距探測(cè)主要采用地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合掌子面素描結(jié)果，與TSP 結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，較復(fù)雜段增設(shè)超前水平鉆作為補(bǔ)充判據(jù)，為隧道掘進(jìn)提供掌子面前方更精細(xì)的地質(zhì)預(yù)報(bào)信息。其中地質(zhì)雷達(dá)每30 m探測(cè)一次，掌子面素描每循環(huán)進(jìn)行一次。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，可以得到以下結(jié)果：DK144+917~DK144+952 段，同相軸較連續(xù)性略差，頻率降低，預(yù)測(cè)結(jié)果為圍巖弱風(fēng)化，局部強(qiáng)風(fēng)化，較完整～較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，建議圍巖等級(jí)為V級(jí)圍巖。DK144+945.8～DK144+976.5段，同相軸較連續(xù)性較差，預(yù)測(cè)結(jié)果為圍巖弱風(fēng)化，較完整～較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，建議圍巖等級(jí)為V 級(jí)圍巖。同時(shí)，由掃描結(jié)果可知，臨近出洞段，圍巖破碎更為明顯。

4 鉆爆與支護(hù)技術(shù)措施調(diào)整

在隧道掘進(jìn)過程中采用光面爆破方案，根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)和掌子面素描信息對(duì)光爆參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)鉆爆設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。在隧道出洞淺埋段，常出現(xiàn)掌子面拱部、拱腰處有泥質(zhì)充填的情況，此時(shí)，如直接鉆孔裝藥，極易造成局部出現(xiàn)大范圍掉塊，會(huì)降低現(xiàn)場(chǎng)施工效率，導(dǎo)致混凝土原料浪費(fèi)。對(duì)此，使用預(yù)裂爆破處理上臺(tái)階泥質(zhì)充填部分。同時(shí)，出洞段的第四系表土層厚薄不一，在同一循環(huán)斷面，不同區(qū)域會(huì)出現(xiàn)差距較大的地質(zhì)情況，在隧道掘進(jìn)過程中使用沿開挖輪廓每循環(huán)施作一孔超前水平鉆揭露前方地質(zhì)信息，同時(shí)可以得到出洞剩余距離。

圖4 隧道掘進(jìn)鉆爆設(shè)計(jì)圖

在臨近出洞淺埋段中，超前支護(hù)措施已由超前管棚支護(hù)變更為φ42mm 的超前單層小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.3m，單根長度3 m，縱向每2 榀施做一環(huán)。同時(shí)，在超前支護(hù)注漿過程中嚴(yán)控注漿初終壓，并檢查注漿效果。隧道采用光面爆破法施工，根據(jù)前期預(yù)報(bào)結(jié)果在施工中根據(jù)實(shí)際圍巖特點(diǎn)，不斷優(yōu)化鉆爆設(shè)計(jì)，調(diào)整爆破參數(shù)；在出現(xiàn)泥質(zhì)鈣質(zhì)填充時(shí)將裝填系數(shù)調(diào)低20%～40%，并設(shè)置預(yù)裂孔等方式，取得最佳爆破效果，避免地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。

5 隧道圍巖監(jiān)控量測(cè)及全息掃描

在隧道出洞中，相鄰檢測(cè)斷面間距5m，每個(gè)斷面分別在拱頂和洞身布置5 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。洞內(nèi)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在開挖后12h內(nèi)埋設(shè)，并應(yīng)在測(cè)點(diǎn)埋設(shè)后12h 內(nèi)，且支護(hù)后2h 內(nèi)讀取初始數(shù)據(jù)。在隧道掘進(jìn)開挖過程中，設(shè)置地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)地表的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。隧道掘進(jìn)施工前對(duì)原有地面進(jìn)行一次復(fù)測(cè)，準(zhǔn)確掌握出洞時(shí)洞頂?shù)母采w層厚度，保障施工安全。隧道掘進(jìn)出洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)拱頂沉降結(jié)果如圖6 所示。通過圖5 中的沉降監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，可以得出，在0d~6d 內(nèi)沉降發(fā)展較快，多數(shù)在6d 后沉降逐漸趨于穩(wěn)定，沉降量基本穩(wěn)定在8mm~10mm，在出洞過程中沒有出現(xiàn)較大的變形及沉降危害。

圖6 拱頂沉降量測(cè)結(jié)果

每循環(huán)開挖完成后，采集利用SX12 全息掃描儀掃描，同時(shí)拍攝高清影像，生成數(shù)據(jù)文件即點(diǎn)云文件，點(diǎn)云數(shù)據(jù)無須拼接直接在儀器配套的TBC 軟件中生成完整點(diǎn)云，計(jì)算斷面掃描結(jié)果，進(jìn)而與設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行對(duì)比，確定現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果7。通過掃描可以了解隧道掘進(jìn)超欠挖的情況，及時(shí)調(diào)整鉆爆方案，避免材料超耗和技術(shù)措施失誤。

斷面掃描結(jié)果如圖7 所示。根據(jù)圖7 中的隧道斷面掃描數(shù)據(jù)可知，上臺(tái)階開挖拱腰區(qū)域的超挖情況比其他區(qū)域更嚴(yán)重，超挖多在8~12 cm，在爆破開挖過程中應(yīng)注意控制，及時(shí)調(diào)整問題部位的爆破方案，在此處采用預(yù)裂爆破、降低裝藥等方式，并加強(qiáng)超前支護(hù)措施，保證超前注漿質(zhì)量和監(jiān)控量測(cè)。

圖7 隧道掃描結(jié)果

6 隧道出洞

上臺(tái)階線路會(huì)率先出洞。出洞后，施工人員通過洞口對(duì)仰坡打設(shè)砂漿錨桿，錨桿長度4 m@1.2 m 梅花形布置，進(jìn)行仰坡支護(hù)，仰坡開挖以人工為主，噴射C25 混凝土對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)，防止后續(xù)爆破仰坡滑塌。隧道貫通后施作截排水設(shè)施。通過上述綜合探測(cè)方法及調(diào)整技術(shù)措施，五豐坡隧道順利貫通出洞，保護(hù)了出洞位置的生態(tài)環(huán)境，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

7 結(jié)論

以宣績鐵路五豐坡隧道出洞為研究對(duì)象，首先在出洞前使用TSP 彈性波反射超前預(yù)報(bào)措施，對(duì)隧道進(jìn)行長距離的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判，再使用地質(zhì)雷達(dá)和地質(zhì)素描法掌子面前端近區(qū)的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行細(xì)致探測(cè)，進(jìn)而確定爆破參數(shù)和支護(hù)技術(shù)措施。1）出洞前采取TSP 彈性波反射超前預(yù)報(bào)措施，對(duì)隧道進(jìn)行長距離的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判。使用地質(zhì)雷達(dá)和地質(zhì)素描法掌子面前端近區(qū)的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行細(xì)致探測(cè)，得到更為精確的不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，極大程度地降低了隧道掘進(jìn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。2）在隧道掘進(jìn)過程中，通過前期物探結(jié)果和圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果、斷面掃描結(jié)果，得到隧道開挖沉降變化規(guī)律和斷面超挖規(guī)律，并根據(jù)結(jié)果及時(shí)對(duì)隧道鉆爆參數(shù)、支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了雙線鐵路隧道的安全、高效、低耗出洞施工。3）在隧道出洞過程中，通過精細(xì)化的不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判和技術(shù)措施調(diào)整，有效降低了出洞段地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率，保護(hù)了出洞位置的環(huán)境，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為類似隧道出洞施工提供參考。