摘要:軟弱圍巖隧道施工中,由于其本身不穩(wěn)定,必然會對隧道施工的質(zhì)量控制、安全及經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生較大影響。在隧道施工中遇到埋深較淺的情況時(shí),需要制定切實(shí)可行的施工技術(shù)方案,為隧道施工打好基礎(chǔ),確保施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度。文章結(jié)合工程實(shí)例闡述了在軟弱圍巖隧道工程中如何運(yùn)用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)情況預(yù)估,以及通過對獲取到的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析,從而探明地下巖性。實(shí)踐證明,通過文中的工程實(shí)例運(yùn)用的技術(shù)方法,可以判定圍巖的穩(wěn)定性和確定破碎段,為后續(xù)施工提供有力的指導(dǎo),使施工順利進(jìn)行,并能提前規(guī)避相應(yīng)的施工風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)貫穿于軟弱圍巖隧道施工全過程。

關(guān)鍵詞:軟弱圍巖隧道;TSP地質(zhì)預(yù)報(bào);監(jiān)控量測;探地雷達(dá)質(zhì)量檢測

隧道施工過程具有程序多、內(nèi)容復(fù)雜、相互交叉、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn),如何加強(qiáng)超期地質(zhì)預(yù)報(bào)、現(xiàn)場監(jiān)控量測,確保隧道施工安全,已成為隧道施工過程中一個(gè)突出問題;如何保證隧道的施工質(zhì)量、工程質(zhì)量,已成為隧道施工過程工程檢測中重之又重的關(guān)鍵問題。因此,隧道施工各階段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測和質(zhì)量檢測也就成為核心問題[1]。

1工程背景

1.1工程概況

隧道左線起止里程ZK0+230~ZK1+497,全長1267m;隧道右線起止里程K0+280~K1+525,全長1245m。限界凈寬18.25m,建筑物限高5m,拱頂圓半徑為10.4m,凈空面積為250.84m2。

1.2地形地貌

坑道區(qū)屬丘陵地貌,地形較為簡單,兩側(cè)洞口為坡積型地貌,沖溝較為發(fā)育,山峰呈尖凸?fàn)睿狡露纫话銥?8~30°。山峰總的走向是從東到西,高度的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別為140m和20m。

2TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

通過地質(zhì)勘查資料和設(shè)計(jì)圖紙,了解到ZK1+140~K1+240為深部破碎帶,并貫穿隧道洞體,位于破碎帶發(fā)育段。利用TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法,提前預(yù)測該段的地質(zhì)狀況,并與地勘資料和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行核對,以指導(dǎo)施工。

2.1設(shè)備儀器

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要由超前預(yù)報(bào)儀、觸發(fā)盒、起爆機(jī)、三分量傳感器等組成。超前預(yù)報(bào)儀采用24通道數(shù),頻帶范圍為0.01~10000Hz;三分量傳感器記錄X、Y、Z方向傳感器的波形[2];采用爆破觸發(fā)地震波。

2.2數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集前應(yīng)進(jìn)行炮孔布置、傳感器鉆孔布置測試前準(zhǔn)備等。具體炮孔布置與傳感器布置如下:(1)傳感器布設(shè)距最后一個(gè)炮孔20m,左右邊墻對稱布設(shè),與炮孔在同一水平線上[3]。(2)地震波震源炮孔24個(gè),根據(jù)主結(jié)構(gòu)面走向布設(shè)在一側(cè),位于邊墻距地面1.5m處,第一炮孔盡量靠近掌子面布設(shè),炮孔間距1.5m,孔深為1.8m,炸藥量為200g。(3)全部采用φ60mm風(fēng)鉆鉆孔。(4)每個(gè)孔安裝完畢后,必須用具有一定黏度的黃泥耦合和封堵。完成現(xiàn)場工作布置和儀器連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3數(shù)據(jù)處理

采用TSPwin對TSP采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得物理參數(shù)及反射界面分布等成果。利用獲得的VP、VS、VP/VS、泊松比、楊氏模量等物理參數(shù)及反射情況綜合預(yù)報(bào)隧道存在的溶洞、軟弱巖層、破碎帶及富水帶等不良地質(zhì)體。在數(shù)據(jù)處理過程中要結(jié)合隧道開挖面的實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析。為了便于預(yù)測結(jié)果與實(shí)際開挖結(jié)果之間的相互驗(yàn)證,應(yīng)給出TSP成果圖。

2.4檢測結(jié)果

(1)ZK1+140~ZK1+180,長40.0m。巖體波速在2.0km/s以上,巖體較為完整,節(jié)理裂隙較為發(fā)育,主要為密閉型和微張型裂隙,穩(wěn)定性好,屬弱風(fēng)化石英巖。其中,ZK1+145~ZK1+150及ZK-1+165~zK1-170段反射界面密集,波速波動(dòng)大,巖體破碎程度較大,屬強(qiáng)風(fēng)化石英巖。(2)ZK1+180~ZK1+240,長60.0m。巖體的波速在2.1m/s左右,巖體比較完整,節(jié)理裂隙比較發(fā)育,主要為密閉裂隙和微張裂隙,穩(wěn)定性較好,屬于弱風(fēng)化石英巖,施工時(shí)應(yīng)注意巖塊的掉落,并做好支護(hù)措施。根據(jù)對TSP法超前預(yù)報(bào)所收集到的資料分析結(jié)果,預(yù)測了隧道開挖工作面前圍巖破碎帶的分布情況和節(jié)理裂縫的發(fā)育情況,推算出ZK1+140~ZK1+150、ZK1+165~ZK1+170存在著破碎帶。預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖結(jié)果基本一致,并對ZK1+195-ZK1+240地勘資料和設(shè)計(jì)圖紙作了補(bǔ)充,為施工方加強(qiáng)支護(hù)措施提供了依據(jù)。

3隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測

3.1建立基準(zhǔn)點(diǎn)

隧道入口和出口淺埋段和隧道深度小于30m的隧道,以及在沉降段外5倍孔直徑處的水平基準(zhǔn)點(diǎn)(水平基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置、長期保存和觀測需要確保堅(jiān)固的點(diǎn))作為每個(gè)觀察點(diǎn)高程測量的基準(zhǔn)。根據(jù)該工程隧道的地質(zhì)地形,在隧道左右洞口的一定距離處分別設(shè)置水平基點(diǎn),形成觀測站的水平基點(diǎn)和水平控制網(wǎng)。

3.2監(jiān)測量測數(shù)據(jù)的收集、分析和處理,并反饋信息

(1)獲取數(shù)據(jù)。放置觀察斷面點(diǎn)后,可以使用監(jiān)視儀器收集數(shù)據(jù)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集至少由2名專職人員負(fù)責(zé),每個(gè)數(shù)據(jù)段至少連續(xù)測量3次,并將數(shù)據(jù)記錄在相應(yīng)的原始記錄表單中。測量時(shí),首先記錄當(dāng)時(shí)的施工環(huán)境(如天氣、溫度、濕度),然后記錄該段的里程數(shù)和該監(jiān)控時(shí)間及日期。對于收集的每個(gè)數(shù)據(jù),必須可用于分析和處理的數(shù)據(jù)處理程序。監(jiān)控中,可根據(jù)位移率的變化及與開挖斷面之間的距離提高或降低監(jiān)控頻率[4]。(2)分析和處理實(shí)測數(shù)據(jù)。①根據(jù)監(jiān)測測量所收集的數(shù)據(jù),繪制各斷面圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形曲線,并根據(jù)該斷面圍巖穩(wěn)定性是否隨時(shí)間減少,初步確定該曲線各段的可變率;②使用回歸分析對監(jiān)測段數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步回歸分析,確定最佳回歸分析功能,估計(jì)圍巖未來發(fā)展和變化趨勢;③基于信息反饋和預(yù)測。收集的監(jiān)測數(shù)據(jù),采用數(shù)學(xué)和巖石力學(xué)相結(jié)合的方法構(gòu)建信息反饋預(yù)測的隧道圍巖模型,進(jìn)行圍巖數(shù)值計(jì)算和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析,并將結(jié)果應(yīng)用于隧道施工。

3.3監(jiān)測地表沉降變形的結(jié)果與分析

對地表ZK1245的巖體進(jìn)行了Ⅴ級軟弱圍巖分析,其巖石學(xué)為頁巖、泥質(zhì)砂巖,巖石結(jié)構(gòu)和破碎穩(wěn)定性較差。5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的整體變形曲線表明,隧道開挖和挖空區(qū)域的表面沉降大于未隧道的區(qū)域,離隧道中心線越遠(yuǎn),沉降越小,隧道開挖正上方,即拱頂a點(diǎn)正上方的表面沉降變化最大。此外,隧道初期支護(hù)完成后,由于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用,地面沉降最終趨于穩(wěn)定(收斂)。

4探地雷達(dá)質(zhì)量檢測

4.1線路布置圖

(1)襯砌質(zhì)量檢查。隧道施工中,初期支護(hù)和二次襯砌質(zhì)量檢查主要是縱向布線。隧道在水平方向共有5條測量線,分別為拱頂、左右拱腰以及左右側(cè)墻。三車道隧道需要在隧道拱頂部分加2條調(diào)查線。(2)檢查仰拱。檢測仰拱也基于縱向布線,橫斷面布線作為輔助。測量線在隧道中心線的左側(cè)和右側(cè)分別沿著2m(測量線a和測量線b)的垂直方向放置,通常在發(fā)現(xiàn)距離為6~8m的無效線段時(shí),可以沿隧道水平加測。

4.2數(shù)據(jù)處理

通常需要軟件進(jìn)行處理后獲得有助于解釋的結(jié)果或圖像。雷達(dá)收集的原始數(shù)據(jù)中既有有用的信息,也有各種噪聲,還有些被噪聲掩蓋。因此,原始數(shù)據(jù)通常經(jīng)過后期軟件處理,以獲得有助于解釋的結(jié)果或圖像。數(shù)據(jù)處理的目的是抑制噪聲,改善信號,提高數(shù)據(jù)的信噪比,提取數(shù)據(jù)的速度、振幅、頻率、相位等特性信息。

4.3探地雷達(dá)結(jié)果解析

(1)鋼支撐。中鋼支撐襯里混凝土(鋼拱、格柵鋼框架等)、雷達(dá)剖面的反射信號是分布式新月形的強(qiáng)反射信號,表示每個(gè)反射信號都有一個(gè)鋼拱結(jié)構(gòu)。該雷達(dá)剖面,除擾動(dòng)波信號外沒有其他異常反射,襯砌混凝土結(jié)構(gòu)很密集,同時(shí)后部圍巖緊密結(jié)合。(2)空洞及不密實(shí)帶。脫空及不密實(shí)典型的雷達(dá)剖面如圖1所示。從圖1中可以看出,普通二次襯砌后背脫空,具有反射波信號強(qiáng)、三振相明顯、底面反射界面強(qiáng)烈等特點(diǎn);初期支護(hù)具有背部回填不緊密,反射波多、雜,反射波能量強(qiáng)度大變化等特點(diǎn)。

5結(jié)論

在隧道施工過程中,通過上述方式方法可以保證隧道工程的安全,保證質(zhì)量,保證工程進(jìn)度,降低風(fēng)險(xiǎn)。(1)該隧道工程采用TSP方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,作為地質(zhì)預(yù)報(bào)探測手段,對圍巖中的軟弱構(gòu)造帶、斷層和破碎帶等不良地質(zhì)體具有較好的預(yù)報(bào)效果。選擇該隧道部分具有代表性的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果,對ZK1+145~ZK1+150/ZK1+165~ZK1+170巖體進(jìn)行了破碎預(yù)測,并對ZK+195~ZK1+240巖體的破碎預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,是對地勘資料的一種有益補(bǔ)充。(2)制定監(jiān)測量測的具體實(shí)施方案,并在地面沉降觀測中進(jìn)一步確定支護(hù)和圍巖變形情況,這對現(xiàn)場施工提供了可靠的保證。(3)探地雷達(dá)探測數(shù)據(jù)要進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)處理,首先采用調(diào)整方向等操作,并反復(fù)使用各種參數(shù)進(jìn)行處理,可達(dá)到層次分明、缺陷清晰的效果;然后根據(jù)介電常數(shù)確定內(nèi)襯的厚度,進(jìn)行缺陷分析等,并輸出結(jié)果。

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