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1、施工监控及地质雷达技术在软弱偏压隧道施工中的应用摘 要近年来，我国建设了大量铁路、公路隧道。在修建过程中当隧道位于软弱、破碎段时，隧道围岩具有稳定性差、形变复杂等特点，常形成软弱围岩大变形、流变等地质灾害，往往成为整条隧道的薄弱环节和难题。因此，对软弱围岩变形特征及其控制措施研究是目前急需解决的问题。为此，本文以怀通高速隧道软弱围岩隧道为研究对象，依据隧道施工监控量测数据，分析和总结了软弱围岩变形特征，并运用弹塑性有限元法分别对软弱围岩隧道不同开挖方式及施工过程中围岩、支护结构力学效应进行数值模拟研究，总结和论证了软弱围岩隧道支护措施和方法，主要研究成果有：（1）重点研究了隧道典型断面的围岩变
2、形时间变化曲线、围岩变形空间变化曲线的特点及规律，对围岩变形时间效应和空间效应进行分析，得出怀通高速隧道软弱围岩变形特征：隧道周边水平收敛值比拱顶沉降变形量大；软弱围岩大变形阶段表现为变形量大，拱顶偏压，围岩受到剪胀挤出，造成支护结构严重破损；级、级围岩一般在埋设测点后经历一个月后趋于稳定，而大变形段可达数月之久；各断面围岩变形时间变化曲线主要有抛物线型和似阶梯形两种变化型式；各断面围岩变形空间变化曲线则主要表现为抛物线型和似阶梯形型，怀通高速隧道围岩变形空间效应显著。（2） 大变形，变形量级较普通围岩变形大的多；具有初期变形发展快，变形增长持续时间长，受到施工影响，变形呈现阶段性增减等特点。
3、（3） 施工现场观察衬砌混凝土开裂、剥落，错台严重，说明围岩发生明显剪切膨胀，从而导致衬砌破坏。（4） 围岩变形与支护结构相互作用。软弱围岩在隧道开挖后，初期变形量过大，而支护结构刚度相对较弱，导致喷射混凝土层变位大，发生整体沉降，这是软弱围岩大变形的前提。对各级围岩条件下各测试元件结果做出了整理，并对正团冲隧道建立了二维平面及三维计算模型，模拟了隧道施工力学行为，主要得出了以下的结论：（1）IVV级围岩中，钢支撑承受了很大的荷载，钢支撑在混凝土强度尚未完全形成时发挥重要作用，提高了支护结构的整体强度，起到了很好的支护效果。后期施作二衬混凝土时，钢支撑力均有不同程度的减小，说明二衬分担了初期支
4、护结构的部分应力，初期支护中，钢支撑的支护作用比较明显，对于破碎围岩来说，施作钢支撑是很有必要的，起到了很好的支护作用。（2）隧道上台阶开挖后由于部分初始应力得到释放，边墙两侧出现了应力集中现象，围岩塑性围小，但应力值大，在施加初期支护后地应力完全释放，由围岩和支护共同承担应力，拱腰应力圈变化均匀，应力集中现象得到了很大的改善。（3）初期支护最大应力出现在隧道底部，且越远离开挖面数值越大，拱脚处有应力集中现象，这要求在施工过程中特别注意围岩开挖的轮廓以及锚杆尤其是锁脚锚杆的施工时间和质量。应及时施做仰拱，尽早使衬砌闭合，如果不及时施做，围岩通过自身的应力调整，荷载会传递给隧道上部衬砌结构，使衬
5、砌结构承受更大的荷载。（4）隧道拱顶、拱底和两侧边墙均承受一定的拉压应力，在施工过程中要保证喷混凝土密实，钢拱架与围岩紧密接触，钢拱架纵向有联系构件，底脚要牢固。特别注意围岩开挖的轮廓以及锚杆尤其是锁脚锚杆的施工时间和质量。应及时施做仰拱，尽早使衬砌闭合。（5）隧道大面积开挖后，前方掌子面拉应力较大。采用此方法进行施工应循环施工，在掌子面前方预留一部分核心土阻止前方掌子面失稳。（6）计算和实测的支护力均较小，设计选取的支护参数满足要求，并有一定的安全储备。对怀通高速公路隧道进行了地质雷达超前预报，探明了该段地层岩性分布，并就超前地质预报结果并根据地质雷达图像的波形特征和频率、振幅、相位以及电磁
6、波能量吸收情况等细节特征的变化规律来建立与各种典型地质现象的对应关系。关键词：隧道 软弱围岩 空间效应 时间效应 变形特征 数值模拟 地质雷达目 录摘 要II第一章 绪论11.1工程背景11.1.1工程地质条件11.1.2 隧道主体工程31.2选题依据41.3主要容及研究意义51.3.1研究容51.3.2研究意义6第二章 施工监控量测在软弱偏压隧道中的应用72.1隧道监控量测技术与方法72.1.1隧道施工监控量测容72.1.2监控量测目的82.1.3监测断面间距92.1.4 数据的处理92.2软弱围岩隧道变形特征分析102.2.1正团冲隧道围岩变形的时间效应分析112.2.2正团冲隧道围岩变形
7、空间效应分析182.2.3燕子湾隧道软弱偏压围岩大变形监测分析212.3 施工监控量测技术在软弱偏压围岩隧道进洞阶段中的应用262.3.1 监控量测及施工措施262.3.2 隧道洞口施工总结302.4影响软弱围岩变形的主要因素312.5本章小结33第三章 隧道软弱偏压围岩稳定性分析353.1 影响软弱围岩隧道稳定的因素353.1.1 影响软弱围岩隧道稳定的因素353.1.2 影响正团冲隧道稳定的因素383.2 现场测试及结果分析383.2.1测试目的383.2.2测试容与方法393.2.3测试结果分析413.3正团冲隧道施工工法的二维数值分析463.3.1 计算方法和计算模型463.3.2 围
8、岩位移场应力场分析473.3.3锚杆受力分析503.3.4初期支护受力分析513.4 软弱围岩条件下隧道三维数值模拟523.4.1 计算方法和计算模型523.4.2 应力场分析553.5 本章小结65第四章 地质雷达技术在软弱围岩隧道的应用研究664.1 隧道地质超前预报概述664.1.1 地质超前预报意义及目的664.1.2 地质超前预报容664.1.3 地质超前预报常用方法674.2 地质雷达探测法简介674.2.1 地质雷达工作原理674.2.2 地质雷达探测技术要求704.2.3 雷达图像的判读714.3 怀通高速隧道地质雷达探测实例734.3.1 测线布置方式选择734.3.2 天线
9、频率的选择734.3.3 信号触发方式选择734.3.4 超前预报测试成果分析744.4 本章小结79第五章 结 论80第一章 绪论1.1工程背景怀通高速公路是国家高速公路网包茂线的重要组成部分，也是省“五纵七横”高速公路网规划中的第5纵，北接邵怀高速竹田枢纽互通，同时连通吉怀高速；南接广西龙胜县，与拟建的广西省至三江高速公路相连。起于市以南的邵怀高速竹田互通，向南经中方县，洪江市、会同县、靖州县、绥宁县、通道县进入广西境。主线全长197.638km，主线采用双向四车道高速公路标准。全线共计隧道35座，合计单洞长44157.303m，其中最长隧道为K108+355K110+962处的鱼梁坝隧道
10、，单洞长度达到4207m。隧道分布分散，地质构造及地层岩性复杂，涉及23个土建施工单位，施工组织难度大。沿线地形属云贵高原向江南丘陵的过渡地带，路线分布狭长的丘岗盆地区，路线布置受地形限制较多。区多为砂质板岩地区，断层、软弱夹层，破碎地层、节理密集带、富水裂隙带广泛分布，影响隧道的稳定性，特别是隧道进出洞口。1.1.1工程地质条件（1）地层岩性隧址区出露、揭露的地层有：新生界第四系残坡积层（Qel+dl），古生界寒武系无量山群第四段（wl4），隧道进口冲沟分布第四系冲洪积（Qal+pl）。 1）第四系残坡积层（Qel+dl）：分布于斜坡表层，岩性为黄灰色、黄褐色、紫褐色碎石土，结构疏松，呈散体
11、结构，粘性土、砂土充填。分布不均，局部呈含碎石（角砾）粉质粘土。隧道进出口堆积厚度35m。 2）第四系冲洪积层（Qal+pl）：分布于隧道进口及冲沟，岩性为碎石土、砂砾石土，黄褐色、浅灰色，松散稍密，局部间夹粘性土透镜体，厚度25m。 3）第四系人工填土层（Q4me）：分布于隧址区斜坡坡面，岩性为碎石土，黄褐色，松散，为采石场弃土，厚约35m。 4）寒武系第四段（wl4）：分布于隧道进出口坡面第四系土层之下及隧道洞身，为一套浅中等变质岩。岩性为钙质、砂质板岩，局部夹炭质板岩、片岩，其间含石英脉及团块，板状、片状构造。受构造影响，岩石揉皱强烈，节理裂隙发育，层理发育，呈薄层中层状，层状岩石沿板理
12、面易剥离呈片状。岩体完整性差，风化强烈，呈碎石碎块状。据钻孔揭露，强风化岩层厚5065m。（2）地质构造区构造类型为断裂、褶皱和新构造运动，隧址区构造类型为新构造运动，其主要表现形式为河流、冲沟深切割。岩层中揉皱现象常见，层间差异风化显著，岩体破碎，风化强烈，节理、板理发育。岩层倾向33010，倾角2036，局部820，主要发育三组陡倾角节理，形成区的陡崖面、陡坡面，节理分述如下： 1）走向168183，倾向7893，倾角7089，节理延伸长13m，呈微状，开宽220mm，无充填或有少许钙质、泥质充填，密度23条/m。 2）走向243263，倾向153173，倾角7085，延伸长35m，开21
13、5mm，局部1525mm，无充填或少许钙质、泥质充填，密度34条/m。 3）走向283310，倾向193220，倾角6585，延伸长35m，开220mm，无充填或有少许钙质、泥质半充填，密度24条/m。 以上节理与层面相互错切，将岩体切割成碎石状、碎块状。隧址区总体构造环境相对稳定，构造对隧址区影响相对较小，区域稳定性相对较好。（3）水文地质特征地下水主要为第四系松散岩类孔隙水及变质岩基岩裂隙水。第四系松散岩类孔隙水赋存于第四系残坡积（Qel+dl）碎石土和第四系冲洪积碎石、砂砾石中，接受降水、沟水的补给，富水性贫乏，呈上层滞水的形式存在。基岩裂隙水赋存于山群板岩（wl4）强风化岩石及基岩裂隙
14、中，接受降水、沟水和上覆松散岩类孔隙水的补给，富水性中等，泉水流量0.791.25L/S，地下径流模数1.02.0S/L.km2。钻孔揭露地下水埋深10.7217.50m。据区域水质分析资料，地下水化学类型为HCO3-Ca2+型，对砼不具腐蚀性。1.1.2 隧道主体工程（1）隧道横断面设计隧道轮廓设计横断面组成为：（0.75+0.5+4.02+0.5+0.75）m=10.5m，行车道限高5.0m；考虑对结构受力有利及便于施工，衬砌断面轮廓采用单心圆方案。隧道净空、横断面组成除满足行车净空要求外，还考虑到通风、照明、消防及其它运营管理设施所需空间。（2）应急停车带横断面设计：应急停车带限界宽度组成：0.75+0.5+4.02+3.5+0.75，限界高度5.0m，采用三心圆断面。隧道考虑设置宽3.5m（包括硬路肩），长40m的应急停车带，间距不大于750m。本项目隧道按二级公路标准设计，考虑到洞行车方向为双向行驶，故隧道应急停车带间隔布设在隧道行车道两侧，设置间距控制在750m以。（3）衬
