公路隧道监控测量研究——以凤山二号隧道为例

吕培华

公路隧道监控测量研究——以凤山二号隧道为例

吕培华

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

监测和测量是新奥地利隧道法的三个主要因素之一。通过对隧道岩体变形数据进行测量、采集和分析，测量数据可用于开挖结果的反馈，及时指导施工。隧道监测包括监测方法、监测设备、数据处理分析，并通过数据分析反馈来指导施工。以位于广西的凤山二号隧道现场监测为例，采用能量释放减压、及时封堵、开挖前帷幕灌浆、径向灌浆等措施控制高压地下水。采取提高支护刚度、双层一次支护、预支护、增加预变形、注浆加固、及时安装永久衬砌等措施，确保隧道的安全施工。研究为今后类似工程项目的设计、施工和监测提供有益的参考和指导。

公路隧道；监控量测；安全施工

引言

在众多隧道施工方法中，新奥地利隧道法（NATM）是公路隧道施工中最常用的方法，已被证明是一种非常经济和灵活的施工方式。NATM是一种采用钻爆法在岩石中开挖隧道的技术，采用喷射混凝土衬砌和岩石锚杆作为主要支撑系统。最重要的是，基于“竣工或开挖中分类系统”的概念，NATM要求对开挖面的地质条件和衬砌等地下支撑结构的性能进行动态观测。最常见的岩体分类系统RMR和Q系统用于转换这些观察到的数据，以提供对隧道掘进过程中所需开挖方法和支撑系统组件的估计。可见，现场监测是NATM掘进的核心，在判断围岩稳定性、评价支护结构的合理性和安全性方面具有不可替代的作用。

深埋隧道的深度、距离和穿越各种地质单元的通道都带来了一系列特殊的挑战。这些挑战包括高地应力引起的硬岩岩爆和软岩大变形，以及隧道通过岩溶地形或断层带时的高压泥石流和地下水涌出。大变形、结构坍塌、高级地质勘探、结构安全支持和快速施工技术也是需要解决的问题。深埋长隧道地质灾害防治是地下工程研究的热点之一。

到目前为止，还没有针对深埋长隧道的施工提出标准和有效的设计方法。之前的大多数解决方案都是基于施工过程中的经验和动态调整。本文介绍了广西凤山二号隧道的案例研究。从设计、施工和控制措施等方面总结了关键技术和经验。高压地下水的密封技术和高地应力下大变形的处理技术尤其令人感兴趣。这一深埋长隧道开挖的成功案例对今后类似隧道的设计和施工具有一定的参考价值。

1 工程概况

凤山二号隧道设计为单洞双向行车的两车道二级公路隧道，隧道起终点桩号为K1+432～K2+614，隧道长1182 m，洞身围岩级别主要为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级，Ⅴ、Ⅳ级属于强、中风化石灰岩、白云岩，Ⅲ级属于微风化石灰岩、白云岩，其中Ⅴ级共208 m为强风化石灰岩、白云岩，占围岩比例为14.7%，Ⅳ级共192 m为中风化石灰岩、白云岩，占围岩比例为17%，Ⅲ级共758米为微风化石灰岩、白云岩，占围岩比例较大，为68.3%。

根据著名的岩体RMR分类体系，结合地质勘查资料分析，该区围岩可分为Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类三类。这三类岩体的物理力学参数如表1所示。Ⅴ类围岩的衬砌类型如图1所示。

表1 三种不同类型岩体（分别为III类、IV类和 V类）的物理和力学参数

图1 隧道洞身横断面图（普通段）

1.1 水文气象条件

隧道位于广西西北部，路线位于凤山县、东兰县，区内降水分部不均，年际内变幅较大，降水随季节变化明显，夏秋多，春冬少，年平均降水量1470 mm，最大降水温2049 mm（1968年），最小降雨量1101.7 mm（1963年），变幅达955.4 mm。

1.2 地层岩性

根据区域地质资料、地质调绘成果、工程钴探掲露及物探测试，隧址区地层为第四系全新统覆盖层，上古生界二叠系下统栖霞组（Plq）石灰岩。

全新统崩坡积堆积（Q4c+d1）碎块石：浅灰色，散状体，孔口周围零散分布，直径为0.5 m～1.0 m，成分为石灰岩、白云岩，粒径不等。分布于隧道进、出口边坡处及洞顶溶蚀注地坡脚处。

断层F7距隧道口约100 m，为石灰系中上统（C2+3）石灰岩、白云岩育二叠系下统栖霞组（PLq）石灰岩的分界线，该断层为压扭性断层。断层两侧溶洞发育，但距隧道较远，对隧道稳定性影响不大。隧道进出口露头测量统计，隧道围岩产状120°∠15°。

1.3 水文地质

隧址区位于岩溶强烈发育地段，雨季水量很大，旱季水量较小，在岩溶谷地边缘以地下暗河的形式流出形成地表径流，排入沟谷。经水质分析，水质类型HCO3--Ca2+Mg2+型水，地下水一般为低矿化度淡水，对砼具微腐蚀性。

隧址区在大地构造位置上属于广西山字型构造前弧西翼中段，一北西向构造为主，经历了华西力、印支、燕山及喜山四个大的构造运动期。根据野外地质调绘及钴探揭示，隧址区未发现全新世深大断裂构造活动迹象，隧址区稳定性较好。

2 施工关键问题

2.1 综合地质探测方面的问题

对于深长隧道而言，地质和水文地质条件极其复杂多变。在勘测和设计阶段，全面了解区域地质条件以及岩体的状态和特征，尤其是不良地质结构的确切位置和大小，将是困难和不现实的[1]。泰宁隧道穿越多个富地下水挤压断层带，地应力较高。因此，可能发生结构坍塌、地下水流入、大变形和岩爆灾害，施工风险极高。为了避免可能发生的灾难，必须提前采取适当的措施。因此，隧道开挖前的综合地质检测是隧道设计和施工的关键挑战之一[2]。

深埋长隧道开挖过程中的地质预报对确保施工安全至关重要。这一问题已引起工程界的关注，但尚未得到很好的解决。由于地球物理方法的模糊性和不确定性，地质预报是一种基于地质分析和地球物理探测手段的综合方法[3]。如有必要，应辅以水平预钻孔和更深的爆破孔。

2.2 高压大流量地下水引发的问题

Ⅴ级围岩段、强节理带和断层带的高压大流量地下水对围岩稳定性影响显著。因此，正确预测、有效封闭和快速处理地下水是该项目面临的关键挑战。

深长隧道开挖过程中，为封堵高压高流量地下水，应遵循及时封堵、控制排水的原则。及时封堵、灌浆工艺、灌浆材料、灌浆方法、灌浆压力和地下水排水量是地下水封堵的关键，施工前应通过数值计算和试验确定。

2.3 高地应力引起的问题

高地应力引起的岩爆和软岩大变形是世界范围内地下工程和岩石力学中经常遇到的问题。挤压断裂带中的岩体松散、破碎，且风化强烈[4]。岩石强度与地应力之比小于0.2。2001年，Hoek估计了在挤压岩石中掘进的难度，发现当岩体强度与地应力之比低于0.2时，会发生严重挤压和大变形。

当深埋隧道穿越挤压断裂带或发生大变形时，特别是在应力很高、强应力比极低的情况下，围岩表现出明显的流变特性。仅仅通过提高主支架的刚度是无法防止不断增加的变形的。双层初期支护可以有效地控制隧道变形。然而，仅仅防止隧道进一步变形和稳定围岩是不够的。在高地应力条件下软岩隧道开挖中，及时设置永久衬砌是有效抑制隧道变形、稳定围岩的经济措施。

因此，在凤山二号隧道的设计和施工中，软弱岩带和高地应力挤压断裂带的安全施工技术至关重要。

3 应对措施

3.1 做好开挖前的综合地质预报

鉴于凤山二号隧道地质环境复杂，灾害频繁，开挖前地质预报尤为重要。凤山二号隧道的地质预测基于长距离隧道地震预测（TSP）和短距离探地雷达（GPR）探测以及水平预钻孔。

工程地质分析基于地形、区域构造、补充地质调查和现有勘察设计数据。通过对地层层序、地层边界、构造边界、断层要素和隧道几何参数的对比分析，利用常规地质理论、地质填图和趋势分析，可以揭示隧道沿线可能的地质条件[5]。在隧道开挖过程中，利用TSP可以实现整个隧道的长距离预开挖地质预报。在宏观层面上可以揭示开挖面前方大致的远距离地质条件。结合工程地质分析，可识别可疑不良地质段。对于TSP探测到的潜在不良地质剖面，使用探地雷达进行短距离探测[6]。结合地质调查和地球物理解释，可以估计不良地质构造的性质、空间分布和位置。对于潜在的含水结构，进行了红外探测，以验证水量。对于短距离预测发现的潜在地质灾害的关键路段，钻水平预钻孔和更深的爆破孔，以准确估计不良地质结构的性质、大小和位置。对于断裂带、节理密集带、富水带和高地应力区内可能发生的构造坍塌、突然进水或泥浆流入、岩爆、大变形，将发出预警并采取相应措施。

综合地质预报可准确探测断层带、强节理带、富水带等不良地质构造。该预测可以成功预测大多数断层的空间分布，并评估挖掘风险。

3.2 进行高压大流量地下水的封堵

凤山二号隧道的地下水处理遵循“预测、控制排水、及时封闭”的原则。通过对地下水涌水量的计算分析，采用能量释放、应力降低、及时封堵、开挖前帷幕灌浆和径向灌浆技术，成功封堵了高压断裂带高流量地下水[7]。

水压和流量的预测是地下水处理的基础。根据地质预测结果，在富水地段钻取了水平预钻孔。准确识别了隧道前方的水文地质条件和地下水压力。利用镜像法和叠加原理，将有限域上的地下水问题转化为无限域上的地下水问题。使用卷积-反卷积方法，将时变流入问题转化为恒定流问题[8]。

密封技术的选择基于地质预测、数值计算和预钻井揭示的地下水压力和流量。当水量最小时，应首先通过开挖暴露地下水。然后，进行径向灌浆以密封水。在高压大流量地段，应首先进行地下水排水，以降低地下水压力和流量。当地下水压力和流量变得相对稳定时，进行预灌浆。

高压高流量地下水隧道段采用全断面帷幕预注浆。关键考虑因素是灌浆范围的确定、灌浆材料的选择和灌浆压力的控制。灌浆段的长度一般为20 m～25 m，遵循“小长度、快速循环”的原则。灌浆后应形成有效的加固环，以降低围岩的渗透性和地下水流入量，增强围岩的稳定性。因此，灌浆范围应由两个因素决定，即地下水流入量和围岩稳定性。

如果开挖前帷幕灌浆无法封闭地下水，应迅速进行部分灌浆，然后进行高压固结灌浆。

3.3 高地应力的处治措施

3.3.1 大变形的处治措施

根据数值计算和现场试验确定的围岩地应力条件，采取了技术措施。这些技术包括提高支架刚度、安装双层主支架、加强预支撑、增加预设变形、灌浆加固和及时安装永久衬砌。通过这些措施，有效地控制了高地应力软弱岩体的大变形，实现了挤压断裂带的安全施工[4]。

为确保换拱过程中的安全施工，设置了保护拱。在更换拱之前，进一步支撑变形较大的围岩。保护拱由间距为0.5 m的I18钢拱、Φ25纵缝钢筋和24 cm厚的喷射混凝土组成。在更换拱门之前，安装了先进的小管道来支撑保留的围岩。

然后安装了一个双层主支架。主支架的第一层，以前是I20b钢拱，调整为间距为0.5 m的I22b拱。喷射混凝土被钢纤维混凝土取代，其厚度从28 cm改为30 cm。25 cm厚的钢纤维混凝土，间距为0.5 m，用作主支架的第二层。增加了用于径向灌浆的小管道。小型管道的直径为50 mm，厚度为5 mm，长度为5 m，环形间距为1.0 m，纵向间距为1.0 m。当换拱累计长度达到6 m时，及时安装永久衬砌，衬砌厚度从45 cm调整为75 cm，采用C35防水混凝土。

3.3.2 挤压断裂带施工技术

成功的施工技术可总结为：地下水封闭、预支护、分步开挖、超前先导隧道、短台阶、强支护、快速关闭、及时安装永久衬砌。

预支撑包括管棚或双层先进小管道。采用直径为Φ50 mm、厚度为5 mm的5 m长钢管作为先进的小管，周向间距为30 cm，纵向间距为3.0 m。管道的倾角分别为15°和40°。先进的小管道中的水泥浆是水泥和水玻璃的混合物。灌浆持续15分钟，最终应力为2.5 MPa。

为了控制高地应力的影响，采用了分步开挖法，即中心隔板（CD）法。断层带隧道段分三个台阶开挖，即顶部导坑、中间台阶和下部台阶。左导洞总是比右导洞超前15 m以上，以便通过前导洞的变形释放围岩中的应力。每个台阶的单周期开挖长度为0.7 m，隧道仰拱与顶部导坑开挖面之间的距离不超过25 m。

4 结束语

本文详细介绍了具有代表性的公路隧道——凤山二号隧道施工过程中现场监测的案例研究。突出的特点包括地质预报、高压地下水封闭和大变形控制措施。本案例的研究经验可供今后类似项目参考，总结如下。

（1）在建造一条深长的山岭隧道之前，全面了解不良地质结构的确切位置和大小是困难的，也是不现实的。开挖前必须对不良地质结构进行有效检测。在富水断裂带中经常遇到高压地下水。采用能量释放、减压、及时封堵、开挖前帷幕灌浆、径向灌浆等技术，成功封堵高压大流量地下水。

（2）地下水压力和入渗量的预测是地下水处理的前提和基础。根据综合地质预报提供的参数，可以有效地预测断层带的流入。针对高地应力采取的对策是基于对围岩的数值计算和现场试验。这些技术包括提高支护刚度、双层一次支护、加强预支护、增加预变形、注浆加固和及时安装永久衬砌。这些措施有效地控制了高地应力条件下软弱岩体的大变形，实现了挤压断裂带的安全施工。

（3）围岩内部位移的动态演化与隧道施工过程密切相关。直到二次衬砌完工后，围岩内部位移才达到稳定状态。在监测断面不同位置，拱顶处围岩内部位移均大于隧道拱肩处，甚至大于隧道侧墙处。围岩层位较低的断面，围岩内部变形较大。

（4）通过现场监测和测量可以知道拱顶位移沉降和周围位移收敛中存在的问题，分析了围岩和初始支护在施工中的稳定情况和变形程度。它为评估和修改初始支持参数提供信息。从而保证隧道施工和二次衬砌时间足够安全。减少了其他监测仪器的使用，提高了监测效率，降低了成本。目前的监测方法和监测数据分析方法对其他土木工程的变形监测也有一定的积极参考价值。

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Study on Monitoring and Measurement of Highway Tunnels——Taking Fengshan No.2 Tunnel as an Example

Monitoring and measurement are one of the three main factors of the new Austrian tunneling law. By measuring, collecting and analyzing the deformation data of tunnel rock mass, the measured data can be used to feed back the excavation results and guide the construction in time. Tunnel monitoring includes monitoring methods, monitoring equipment, data processing and analysis, and guides construction through data analysis and feedback. Taking the on-site monitoring of Fengshan No.2 tunnel in Guangxi as an example, some reasonable suggestions are provided for the improvement of tunnel construction. Measures such as energy release and pressure reduction, timely plugging, curtain grouting before excavation and radial grouting are adopted to control high-pressure groundwater. Measures such as improving support stiffness, double-layer primary support, pre-support, increasing pre-deformation, grouting reinforcement and timely installing permanent lining are taken to ensure the safe construction of the tunnel. The study will provide useful reference and guidance for the design, construction and monitoring of similar projects in the future.

highway tunnel; monitoring and measurement; safety construction

U45

A

1008-1151(2022)10-0025-04

2022-08-15

吕培华（1984－），广西路建工程集团有限公司工程师，从事交通工程建设与技术管理工作。