唐安军
中铁二十三局集团第四工程有限公司 610031
摘要:以某公路隧道为背景，在地质勘查资料基础上对ZK52+460~ZK52+480段进行TSP+地质雷达+地质素描的综合超前预报，预测该段内存在塌方等地质灾害危险性，提醒施工单位对预报段加强支护，据此通过监控量测对该段围岩稳定性及变形情况进行分析研究，并运用SPSS数据挖掘软件对隧道的收敛位移和拱顶下沉量进行回归分析，确定围岩稳态。通过研究表明，IV级受构造挤压的呈板状化趋势的石英闪长岩围岩稳定性较差，易出现较大变形，需结合综合超前地质预报及监控量测技术及时提出预警和实施实时监控，以保证隧道安全施工。
关键词:隧道工程；超前地质预报；监控量测；稳定性；回归分析
Study on the Comprehensive Application of Geologic Advance Prediction and Monitoring Measurementin Highway Tunnel Stability Analysis
Abstract：On the background of a highway tunnel, TSP, GPR and geological sketches were used to conduct a comprehensive geologic advance prediction research within ZK52+460~ZK52+480 on the basis of geological survey data. Then geological hazard risk of collapse was predicted within this section, and we informed the construction unit to strengthen the support around the predicted segment. Moreover, surrounding rock stability and deformation analysis was studied via monitoring measurement, and in order to determine the stable state of surrounding rock, data analysis and mining software SPSS was utilized to carry out regression analysis on the convergence displacementas well as vault settlement value. The results of the study showed that IV quartz diorite rock, under structural compression and with tabular trend, stability is poor and prone to large deformation. Comprehensive geologic advance prediction and monitoring measurement technology is needed to undertake real-time monitoring and provide advance warning message to guarantee tunnel construction safety.
Key words: tunnel engineering; geologic advance prediction; monitoring measurement; stability; regression analysis
1 引 言
我国隧道工程建设快速发展，随之产生的是对隧道施工安全的更高要求。在新奥法修建公路隧道的过程中，隧道监控量测作为动态掌握隧道围岩稳定状态的重要手段、工程设计和施工的重要依据，不断地对隧道施工围岩的稳定性及支护结构的安全性作出分析评估，并随时优化支护参数，以确保隧道施工安全[1-3]。而超前地质预报对推断前方地质灾害及其危害程度、提醒施工单位及时采取必要措施降低灾害危害程度、保证隧道工程的安全顺利施工也有着极为重要的作用[4]。
对于开挖断面较大的公路隧道，极易受到遂址区域内不良地质情况的影响，而任意一种围岩稳定性分析方法和手段都有其局限性，因此在隧道围岩稳定性分析中有必要将包括地质勘测资料、监控量测数据、地质素描、超前地质预报等方面的信息有效地结合起来，构建一个综合的信息系统，这对提高围岩稳定性评价及超前地质预报的准确性有着重要意义[1]。
2 工程概况
本文以四川某高速公路隧道为背景，该隧道隧址区穿越、揭露的地层主要有新生界第四系全新统松散堆积层；隧道洞身发育六条构造破碎带（FW1~FW6）；隧道前段围岩主要是寒武系下统石牌组粉砂岩、泥质粉砂岩局部含炭质和震旦系灯影组白云岩，隧道后端围岩主要为晋宁期石英闪长岩、闪长岩。研究段隧道总体平面布置图和左线ZK51+500-ZK52+550总体纵断面如图2、3所示。该段隧道穿越区内地质条件十分复杂，初期勘察报告显示围岩主要为石英闪长岩，呈裂隙块状或块状结构，处于一般应力区；隧道开挖围岩无支护时局部可能发生掉块或小～中塌方；局部可能存在隐伏的挤压破碎带、节理密集带等软弱岩体，推测长度约占10%，围岩级别为III~V级。
3 综合超前地质预报及监控量测
3.1 超前地质预报
针对隧道ZK52+495~ZK52+465段围岩分别开展了远距离超前地质预报TSP探测工作和短距离超前地质预报地质雷达探测工作。
3.1.1 TSP超前地质预报预报
预报段隧道掌子面桩号为ZK52+571，根据掌子面岩性特征及掌子面地质素描见图3、图4。现场初步判断掌子面围岩级别为Ⅲ级。
测试设计为24炮，2个接收器（检波器）在隧道左右边墙同时接收，接收器位置在ZK52+629。观测系统示意图见图5。数据采集时，采用X-Y-Z三分量同时接收，采样间隔62.5 s，记录长度451.125ms（7218采样数）。2D成果图如图6所示，探测结果如表1所示。
地质雷达（Ground Penetrating Radar）是基于地下介质的电导率、介电常数等电性参数的差异，利用高频电磁脉冲波的反射探测地下介质分布的一种工程物探技术，可以通过多条测线的探测，了解场地目标体的平面分布情况[8-9]。
根据TSP超前地质预报结果，对ZK52+495掌子面围岩现场观察，发现该位置地质情况如表2所示。
测试主要数据采集参数为：中心频率为100MHz；每次扫描所采集到的样品数为480；时窗为750ns；叠加次数为128次。现场采集数据时主要采用点测方式。探测结果如图7及表3所示。
图7 雷达波形图
围岩主要为晋宁期微风化石英闪长岩，属坚硬岩，中粗粒不等粒结构，块状构造；受构造挤压作用影响，围岩出现微变质现象（板状化）。岩体为侵入岩（深成岩），主要发育有两组构造节理，产状及线密度分别为：
1）122°∠72°，线密度 4 条/m；
2）97°∠82°,线密度 3 条/m；掌子面处较干燥,围岩无水渗出。
ZK52+495～ZK52+477电磁波反射信号密集，波幅及相位无明显变化，反射界面增多且基本连续，电磁信号衰减迅速，与正常岩层的反射电磁波特征有较为明显的差异。该段内围岩特征与目前掌子面基本相似，岩性仍为石英闪长岩，构造节理很发育，岩体破碎，且分别在ZK52+489和ZK52+485处可能存在小断裂，岩体整体稳定性较差。
ZK52+477～ZK52+465该段内雷达反射波表现出存在有多个近似平行的反射界面，似定向排列状，且同一反射界面具有一定的延展性。围岩特征总体应与掌子面基本相似，岩性仍为石英闪长岩，节理发育，岩体较破碎，局部且呈定向排列，岩体整体稳定性较差。结合对掌子面的观察结果（如图8所示），该段围岩岩体因遭受了构造应力的挤压，不但构造裂隙发育，岩体也表现出了板状化的趋势。
施工进入到ZK52+460～ZK52+480段断面时掌子面左腰部出现局部掉块现象，如图9所示。
3.2 监控量测
拱顶下沉和净空收敛量测作为最基本的重要量测项目之一，为隧道新奥法施工的现场监控量测管理体系和监控基准提供相应依据[1]。
根据超前地质预报的预测结果，在ZK52+460～ZK52+480段岩体节理裂隙发育，岩体遭受构造应力挤压，可能会出现掉块甚至塌方。据此在该段内加强监控量测，并提醒施工单位及时加强支护，如图10所示。
3.2.1 量测断面测点测线布置
按照有关设计要求和规范[11-12]，利用全站仪采用非接触式方法测量。根据现场工况条件，量测断面测点测线布置（面向掌子面方向）如图11所示：
3.2.2 监控量测结果分析
隧道ZK52+470断面累计水平收敛值时态曲线如图12所示，水平收敛速率值时态曲线如图13所示。由图表可知，该断面距掌子面距离为177m，水平累计收敛为5.98mm，最大收敛速率1.65mm/d。通过检测结果的分析可以得出结论：该断面累计收敛值均在规范允许范围之内，周边收敛随时间的增长趋于稳定值。
隧道ZK52+470断面累计拱顶下沉值时态曲线如图14所示，拱顶下沉速率值时态曲线如图15所示。又图表可知，该断面距掌子面距离为177m，累计下沉13.65mm, 最大下沉速率4.232mm/d。通过检测结果的分析可以得出结论：该断面累计收敛值较小，拱顶沉降随时间的增长趋于稳定值。
4 稳定性分析
以隧道ZK52+470断面的监控量测数据为依据，运用数据挖掘分析软件SPSS（Statistical Product and Service Solutions）软件[13]，采用非线性数学回归分析方法对累计水平收敛值及累计拱顶下沉值进行了分析，根据李晓红[14]总结出的隧道III级围岩收敛值随时间的变化规律函数，得到了回归曲线的表达式，如图16、17所示。根据曲线变化规律可知：隧道ZK52+470断面位移变化量不大，通过SPSS软件迭代，同时进行统计和分析，拟合出了该断面的收敛曲线，确定了隧道围岩变形的稳定状态。
隧道预报段内围岩主要是IV级弱风化石英闪长岩，节理发育，岩体破碎，受节理裂隙影响，岩体整体稳定性较差，产状变化较大，局部且呈定向排列。由于受到构造应力的挤压及施工作业的影响，致使构造裂隙发育，
图18 泥化夹层
5 结论
(1)隧道监控过程中，将地质勘查资料、隧道掌子面地质素描、超前地质预报预测与监控量测数据等方面信息有效的结合起来，对预测隧道前方地质灾害及围岩稳定性分析有着极其重要的作用。
(2)通过对掌子面地质素描进行定性分析，结合TSP远距离超前地质预报与地质雷达近距离超前地质预报综合预测结果，对ZK52+460～ZK52+480段构造裂隙发育、岩体破碎、围岩整体稳定性差进行了成功预测，并及时作出预警，提请施工单位采取加固措施，该段内仅出现局部掉块，预防了大面积塌方等更严重地质灾害，为隧道安全施工提供保障。
(3)对隧道ZK52+460~ZK52+480段实施监控量测，实时监控围岩变形稳定状态，再通过SPSS数据挖掘分析软件对监测曲线进行了回归拟合分析，明确了隧道在施工过程中的变形稳定状态，对隧道安全隐患作出预警，并有效指导施工安全顺利进行。
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围岩表现出板状化，从而围岩向隧道内部发生位移。在掌子面处出现泥质软弱夹层（如图18所示），也使得围岩结合力较差，与此同时，掌子面地下水弱发育，对围岩抗剪强度降低也产生了一定的影响。所幸通过综合超前地质预报准确预测，得到施工单位足够重视，及时加强支护，预防了围岩的过大变形。论文作者:唐安军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/22
标签：围岩论文; 隧道论文; 地质论文; 超前论文; 断面论文; 量测论文; 所示论文; 《防护工程》2018年第4期论文;