市政隧道施工超前地質(zhì)測(cè)量及預(yù)報(bào)技術(shù)研究

王宇平

摘要 市政隧道既面臨常規(guī)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，又面臨市政環(huán)境帶來的特殊施工風(fēng)險(xiǎn)和要求，對(duì)地質(zhì)測(cè)量和預(yù)報(bào)的要求更高。案例市政隧道工程采用CRD法進(jìn)行施工，為了及時(shí)驗(yàn)證或調(diào)節(jié)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，保證施工調(diào)控決策正確和操作安全性，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量技術(shù)和HSP反射波測(cè)量技術(shù)，從工前地質(zhì)測(cè)量、施工中超前與即時(shí)監(jiān)測(cè)入手，加強(qiáng)超前地質(zhì)通報(bào)、預(yù)報(bào)和警報(bào)，避免后知后覺帶來的風(fēng)險(xiǎn)和損失。梳理介紹其相關(guān)超前地質(zhì)測(cè)量及預(yù)報(bào)技術(shù)，可為市政隧道超前地質(zhì)測(cè)量、預(yù)報(bào)和安全施工提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞 市政隧道施工；地質(zhì)測(cè)量；超前預(yù)報(bào)；技術(shù)研究

中圖分類號(hào) U452文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）09-0066-03

0 引言

隧道建設(shè)施工需要了解地下巖土和水文等情況，需要獲取圍巖厚度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等信息，借以指導(dǎo)施工過程，根據(jù)實(shí)際情況制定完善的施工計(jì)劃，選擇合適的作業(yè)方法，在保證隧道工程安全的同時(shí)提高施工效率。隧道施工需要密切關(guān)注和防范坍塌、滑動(dòng)、崩落等工程風(fēng)險(xiǎn)，需要及時(shí)、有效地超前預(yù)報(bào)地質(zhì)和圍巖狀態(tài)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理安全隱患，避免后知后覺，給工程和施工人員帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)和損失。

對(duì)于市政隧道建設(shè)工程而言，除了具有上述共性風(fēng)險(xiǎn)以外，還要面臨各種地下管網(wǎng)、地面基礎(chǔ)設(shè)施、耦合的地表承重狀態(tài)以及復(fù)雜的地下水狀態(tài)等復(fù)雜狀況，另外，融入型、環(huán)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運(yùn)行設(shè)施的安全運(yùn)行狀態(tài)，要考慮噪聲、灰塵、振動(dòng)等不良影響，考慮交通管制和繞行方案等，無不要求市政隧道建設(shè)過程中，必須充分強(qiáng)化施工地質(zhì)超前預(yù)測(cè)和評(píng)估，確保不發(fā)生重大安全隱患，避免給城市生產(chǎn)生活秩序造成較大的影響[1]。

案例市政隧道工程位處于我國(guó)西南地區(qū)一處半封閉的山間盆地，區(qū)域巖溶發(fā)育，第四紀(jì)沉積薄而寬，泥巖和頁巖風(fēng)化嚴(yán)重，工程面臨極其復(fù)雜的地質(zhì)條件。該工程針對(duì)地質(zhì)測(cè)量和預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，圍繞隧道圍巖形變、地面沉降和爆破振動(dòng)的檢測(cè)工作，建立隧道工程檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，有針對(duì)性地開展地質(zhì)檢測(cè)、預(yù)報(bào)和警報(bào)工作，為工程施工決策提供了充分的測(cè)量依據(jù)，圓滿完成了隧道建設(shè)任務(wù)，很好地保證了隧道工程、地面建筑物和居民的安全。這里結(jié)合工程應(yīng)用，梳理介紹相關(guān)超前地質(zhì)測(cè)量及預(yù)報(bào)技術(shù)，以期為市政隧道施工的地質(zhì)測(cè)量與預(yù)報(bào)應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

案例是一座位于西南地區(qū)某市百花山地區(qū)小凈距市政工程隧道，雙向6車道，高8.01 m，長(zhǎng)2×560 m，跨度35.00 m。K0+530區(qū)域有一條南北向F1斷層，其東側(cè)K0+530至隧道出口，分布夾雜著煤線層的二疊系龍?zhí)督M碳酸巖，地層傾角平緩，產(chǎn)狀約129°∠14°；西側(cè)K0+400～K0+530區(qū)間分布著三疊系大冶組碳酸鹽巖，偶見厚度較小的碎屑巖，產(chǎn)狀約245°∠30°。工程地質(zhì)問題主要有地下水發(fā)育、巖溶發(fā)育、地表風(fēng)化嚴(yán)重、埋深比較淺、瀕臨城市建筑、區(qū)域地下管線較多，地表易發(fā)生坍塌或不均勻沉降。

其中隧道洞口存在危巖體、破碎帶、巖溶、煤層，并且埋深淺；K0+420～500區(qū)間強(qiáng)風(fēng)化、偏壓；K0+530～580區(qū)間，穿越一座變電站，周邊地下管線密集；K0+590～700區(qū)間明挖可能引發(fā)相鄰建筑物發(fā)生不均勻沉降；K0+700～915區(qū)間經(jīng)過金石小區(qū)，區(qū)域有5棟居民樓，1個(gè)游泳池，1處停車場(chǎng)和1座電塔。隧道開挖一旦引發(fā)不均勻沉降，嚴(yán)重威脅這些地面設(shè)施的安全。

該隧道工程采用CRD施工法，該方法也稱交叉中隔墻施工法，對(duì)控制地面沉降功效較好，常用于軟弱地層條件的隧道施工和城市地鐵隧道的施工過程。山嶺隧道由于造價(jià)高，較少使用該方法，但在特殊狀態(tài)下如膨脹土地層也可以采用。該方法規(guī)定大截面隧道分成4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小隧道，采用預(yù)留核心土的方式進(jìn)行施工。CRD施工方法遵循“短臺(tái)階、小分部、短循環(huán)、快封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的作業(yè)原則，采用分塊成環(huán)的方式，自上而下進(jìn)行，隨挖隨撐，以保障初期支護(hù)工作及時(shí)有效。在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)加持的拱頂收斂和沉降達(dá)到基本穩(wěn)定后，施工人員便可自上而下拆卸臨時(shí)仰拱及臨時(shí)中隔壁墻，繼續(xù)開展下一階段的施工工作。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的實(shí)施

CRD工法適用于開挖跨度比較大，對(duì)圍巖沉降形變的控制要求嚴(yán)格的場(chǎng)合。采用CRD工法開挖時(shí)，施工人員將每一步開挖的局部封閉成環(huán)形結(jié)構(gòu)，不僅兼具了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和臺(tái)階法的優(yōu)勢(shì)，而且更有利于圍巖穩(wěn)定，從而保障了施工安全。采用CRD法進(jìn)行施工，為了保證施工的安全性，保證施工調(diào)控決策正確，及時(shí)驗(yàn)證或調(diào)節(jié)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，非常有必要開展有針對(duì)性的圍堰地質(zhì)檢測(cè)和超前分析預(yù)報(bào)工作。案例隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)主要是針對(duì)破碎帶和巖溶帶的預(yù)報(bào)，重點(diǎn)和難點(diǎn)是巖溶地質(zhì)預(yù)報(bào)。按照占用時(shí)間少、方法簡(jiǎn)單、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的要求，案例隧道的地質(zhì)預(yù)報(bào)采取地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量方法和HSP聲反射測(cè)量法。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量

進(jìn)口段K0+590～700區(qū)域的隧道埋深比較淺，測(cè)量采用Zond-12eGPR型地質(zhì)雷達(dá)，75 MHz天線。沿硬化路面鋪設(shè)測(cè)線。

測(cè)量結(jié)果顯示，案例隧道入口K0+590～700區(qū)段的埋深極淺，適合采取明挖法進(jìn)行施工。區(qū)段地下水發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重、巖體破碎、地質(zhì)條件差，開挖施工前應(yīng)注意：詳細(xì)查明地下管線的位置與深度，并有必要制定好應(yīng)急處置方案；在隧道初始支管后面攔排地下水；采取強(qiáng)支護(hù)、弱爆破、短進(jìn)尺等措施，仰拱施工要及時(shí)并且要成環(huán)封閉充分；強(qiáng)化隧道內(nèi)的臨時(shí)橫撐，避免局部開挖和地表沉陷引起過大的側(cè)向形變。

2.2 HSP反射波測(cè)量

掌子面前33 m范圍采用智能ZGS1610-3探測(cè)儀及其配套系統(tǒng)開展HSP反射波測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)配置6個(gè)測(cè)區(qū)，巖體的平均聲速測(cè)試結(jié)果為2 178 m·s?1。其中掌子面ZK0+421檢測(cè)結(jié)果見表1所示。

2.3 超前綜合地質(zhì)分析

案例隧道圍巖級(jí)別與檢測(cè)結(jié)果見表2所示。參照檢測(cè)結(jié)果，施工單位提前在開挖操作過程中采取了防護(hù)措施，有效克服了溶洞、涌水、涌泥等影響，確保了施工安全順利進(jìn)行[2]。

3 案例隧道施工監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

施工監(jiān)測(cè)的目的在于提供準(zhǔn)確、及時(shí)的地質(zhì)和工程參數(shù)信息，為規(guī)范施工決策、驗(yàn)證和調(diào)節(jié)支護(hù)參數(shù)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，以保證隧道施工安全。參考隧道施工安全控制要求和案例隧道的施工監(jiān)測(cè)實(shí)施大綱的具體要求，該工程的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括：掌子面巖體地質(zhì)素描、隧道拱頂下沉，隧道凈空收斂、爆破震動(dòng)影響測(cè)量以及地面沉降狀態(tài)測(cè)量等5個(gè)方面。

3.2 測(cè)點(diǎn)配置

拱頂下沉和凈空收斂的截面間距，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定的圍巖等級(jí)確定，分別為Ⅲ級(jí)（20～30 m）、Ⅳ級(jí)（15～

20 m）、Ⅴ級(jí)（10～15 m）和Ⅵ級(jí)（5～10 m），對(duì)斷層破碎嚴(yán)重的區(qū)域，給予適當(dāng)加密。圍巖穩(wěn)定性測(cè)點(diǎn)配置見圖3所示。上、下半段各配設(shè)一條水平基線供凈空收斂測(cè)量參照，高度分別位處邊墻和拱腰1.50～2.00 m區(qū)域；拱頂下沉測(cè)量，按3個(gè)測(cè)點(diǎn)配置。

3.3 監(jiān)測(cè)等級(jí)與對(duì)策

掌子面地質(zhì)素描3個(gè)施工周期或每8 m進(jìn)尺繪制1次。當(dāng)巖性變化顯著出水量增加時(shí)，要加強(qiáng)觀測(cè)。參考測(cè)量截面與開挖面的距離或開挖推進(jìn)速率確定拱頂下沉和凈空收斂的監(jiān)測(cè)頻率，詳見表3所示。為確保隧道施工安全，需要正確利用檢測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)和控制施工決策，為此該隧道工程制定了檢測(cè)管理值，詳見表4所示。該值經(jīng)業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、檢測(cè)單位等多方討論通過，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行調(diào)節(jié)和完善?？傮w包括下述3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：即圍巖形變最大移位的判斷標(biāo)準(zhǔn)、圍巖形變速率的判斷標(biāo)準(zhǔn)、根據(jù)形變曲線判別圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

預(yù)警分2個(gè)階段，當(dāng)檢測(cè)值超過預(yù)警值的70%時(shí)，應(yīng)在日?qǐng)?bào)表中注明，以引發(fā)有關(guān)各方的注意；當(dāng)檢測(cè)值觸及預(yù)警值時(shí)，除了日?qǐng)?bào)表中注明以外，還須向業(yè)主、監(jiān)理、施工單位進(jìn)行專門通知。

3.4 圍巖穩(wěn)定性和地面沉降檢測(cè)

案例工程施工過程中連續(xù)開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，圍繞108對(duì)凈空收斂測(cè)量點(diǎn)，63個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)量點(diǎn)和114個(gè)拱頂沉降測(cè)量點(diǎn)，拿到掌子面地質(zhì)素描55幅，提交圍巖穩(wěn)定性預(yù)報(bào)22份，預(yù)警120份。

現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，采取離散性與偶然誤差分析，促進(jìn)測(cè)量數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，以保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上，探索圍巖應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，判斷圍巖的穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)變化率或最終值，為合理選擇支護(hù)體系提供參考。隧道開挖過程中，地層中構(gòu)成新的自由面，初始地應(yīng)力情況下的平衡因此被打破，圍巖應(yīng)力應(yīng)變因此形成新的分布狀態(tài)，尤其是在挖掘階段，隧道拱頂下沉的速率大，形變明顯。

參考形變狀態(tài)的發(fā)展，施工單位采取強(qiáng)化橫向支承、增加錨件、調(diào)整小導(dǎo)管數(shù)量和長(zhǎng)度、對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固、適當(dāng)降低藥量、縮短進(jìn)尺、強(qiáng)化超前支護(hù)力度等措施，應(yīng)對(duì)開挖對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響，最終成功開挖通過了該地質(zhì)段。

3.5 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)

采用爆破振動(dòng)測(cè)量?jī)x對(duì)臨近的金獅游泳館、五桂變電站、萬東花園等建筑，進(jìn)行爆破振動(dòng)檢測(cè)，共進(jìn)行了91次檢測(cè)，振動(dòng)速度最大值多在0.20～1.50 cm·s?1，但存在6次突破規(guī)定值2.5 cm·s?1的情況，數(shù)值分別是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，因此建議適當(dāng)減少爆破藥量，以防止對(duì)臨近建筑的破壞。

3.6 綜合分析監(jiān)測(cè)成果

因?yàn)榈刭|(zhì)和臨近建筑的基礎(chǔ)條件影響，2011年5月30日右洞YK0+876.5～YK0+890段發(fā)生地面塌陷，在地面構(gòu)成南北長(zhǎng)13.60 m，東西長(zhǎng)13.60 m，深度約10 m的漏斗塌陷，塌陷量約在1 200 m3。2011年5月27日后的3 d內(nèi)，YK0+860～YK0+880附近溶洞拱頂及相應(yīng)地面下沉速率發(fā)生突變，超過設(shè)計(jì)允許值7 mm·d?1。綜合地質(zhì)條件其原因分析如下：

（1）掌子面（YK0+880）巖性主要為中－強(qiáng)風(fēng)化泥巖，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，巖體破碎程度較高，地下水發(fā)育，遇水極易軟化。

（2）從拱頂至地面，該段隧道埋深25.50 m，有效巖層厚度低于10 m，松散蓋覆層厚度大于15 m，主要為第四系松散堆積物和強(qiáng)－全風(fēng)化泥巖，巖體破碎程度高，穩(wěn)定性差。

（3）地下水較發(fā)育，拱頂?shù)膹?qiáng)－全風(fēng)化圍巖和松散堆積物含水，導(dǎo)致隧道內(nèi)中－強(qiáng)風(fēng)化泥巖遇水易軟化，造成拱頂坍塌。

在上述分析的基礎(chǔ)上，提出施工應(yīng)對(duì)建議和措施，為后續(xù)的安全施工和隧道順利貫通提供決策和技術(shù)支持。建議包括：強(qiáng)化洞內(nèi)和地面的監(jiān)測(cè)工作，加密測(cè)量頻次，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息；強(qiáng)化堵水和超前注漿加固措施，如鋼拱架掛網(wǎng)和噴射混凝土；嚴(yán)格遵循CRD法開挖施工規(guī)范，加大初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)力度；及時(shí)制作仰拱和標(biāo)準(zhǔn)閉合成環(huán)；緊隨其后開展二襯施工。

4 結(jié)語

綜上所述，對(duì)案例隧道工程超前地質(zhì)測(cè)量及預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行了梳理研究：介紹了案例隧道工程所采用的CRD施工方法與地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量技術(shù)和HSP反射波測(cè)量技術(shù)。運(yùn)用超前地質(zhì)測(cè)量與預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)案例工程從施工前地質(zhì)條件全面測(cè)量和施工中地質(zhì)、圍巖、結(jié)構(gòu)狀態(tài)的即時(shí)跟蹤檢測(cè)兩個(gè)方面，加強(qiáng)超前和即時(shí)的地質(zhì)、圍巖、結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測(cè)，并以通報(bào)、預(yù)報(bào)、警報(bào)的方式，使檢測(cè)成果在施工中發(fā)揮影響或控制作用。案例市政隧道的施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，緊緊抓住圍巖形變、地面沉降、爆破振動(dòng)影響展開，建立隧道工程檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，有針對(duì)性地開展地質(zhì)檢測(cè)、預(yù)報(bào)和警報(bào)工作，為工程施工決策提供了充分測(cè)量依據(jù)。針對(duì)案例隧道洞口淺埋和不對(duì)稱，地質(zhì)巖體主要由中－強(qiáng)風(fēng)化泥巖和灰?guī)r組成，巖體破碎，地下水發(fā)育，且狀態(tài)復(fù)雜，地面建筑物密集、地下管線交錯(cuò)等問題，通過有效的施工地質(zhì)巖體檢測(cè)數(shù)據(jù)、分析和預(yù)警，為上述復(fù)雜環(huán)境施工提供了堅(jiān)實(shí)有力的技術(shù)支撐，是工程得以順利完工的重要保證。該地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)同類隧道工程的地質(zhì)測(cè)量、跟蹤技術(shù)檢測(cè)具有參考意義。

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