隧道洞内地质观察方法及应用技术探讨

隧道洞内地质观察方法及应用技术探讨

万　利　杨仲尼　丁　琦　张长安

（山东省交通规划设计院　济南市　250031）

摘　要　隧道施工监控量测的洞内观察由两部分组成：地质观察和支护稳定性观察。本文依托部分工程案例，对洞内地质观察内容和方法进行了探讨，介绍了地质观察在评价围岩稳定性中的应用。

关键词　隧道　地质观察　方法　应用

1　引　言

众所周知，由于地下工程的未知性，在隧道施工过程中，前期勘察所获得的地质资料和开挖后实际暴露出的情况往往有较大出入，为保证施工安全，优化支护参数，必须通过相关手段进行地质状况的核定。与弹性波法、地质雷达法等较复杂的地质预报相比，简单而又实用的肉眼地质观察显得更为重要和直观，同时也是验证和提高其他预测方法准确性最直接的方法。实践证明，开挖工作面的工程地质与水文地质观察和描述，对于判断围岩稳定性和预测开挖面前方的地质条件是十分重要的^［1］。

2　地质观察的内容

表1　地质观察内容

隧道洞内观察（地质和支护状况观察）是新奥法施工监控量测最重要的一项，在隧道施工规范中，位列各监测项目之首，是隧道围岩及衬砌结构稳定性的最直观反应。根据《公路隧道施工技术规范》（JTJ042—94）的定义，隧道洞内观察内容主要分为两大类，即开挖面的工程、水文地质观察和开挖面附近初期支护状态的观察，其中地质观察的内容见表1。

3　地质观察方法及应用

进行地质观察的意义主要在于核实隧道地质状况，评价围岩稳定性，进行必要的地质超前预报和失稳预测。

3．1　地质构造观察方法与应用

地质构造是造成隧道围岩失稳的最主要原因，是隧道洞内观察最重要的一环。由地质构造造成的隧道失稳大体有3种形式（从块度来说），即楔体失稳、层状剥离及松散体失稳等。通过对掌子面地质情况的描述和观察，可对以上3种失稳情况进行定性预测。

3．1．1　楔体失稳

楔体失稳如图1所示。其发生的原因从岩体单元的性质来看，主要是由于围岩节理间的互相切割，形成大小不一的楔形体。隧道岩体开挖后，处于一种动态平衡，当楔形体周围出现临空面时，极易发生突发性失稳。此种情况下的洞内观察，应利用地质罗盘首先确定掌子面发育节理的组数和走向。当出现节理走向交错切割时，应及时提醒建设单位进行支护方式的变更，采取短进尺、及时喷锚和挂钢筋网等措施，必要时采取加长锚杆支护。

图1　拱顶楔体失稳

3．1．2　层状剥离失稳

层状剥离失稳如图2所示。其发生的原因主要是由于围岩节理发育，且层间结合力差，隧道开挖后极易发生顺层滑动。此种情况下的洞内观察，应首先对围岩节理性状进行描述，同时用地质锤敲打致裂的方法确定是否易发生滑动。当确定易发生层状滑动时，应及时进行信息反馈，建议建设方采用锚杆进行爆破前的超前支护，同时优化锚杆的打入角度，必要时架设钢拱架。

3．1．3　松散体失稳

图2　边墙层状剥离失稳

图3　松散体失稳造成塌方

松散体失稳如图3所示。它是隧道施工中最常见的一种失稳，引起松散体失稳的原因有以下3种情况：

①隧道埋深较浅且小于风化壳厚度，这时掌子面岩石结构面发育，地表水沿山体破碎的岩缝、节理渗透到围岩中，对岩石侵蚀强烈，使得岩石风化程度加深，工程力学性质下降。

②构造发育的两种不同岩石力学性质岩石的接触带，当两种岩石性质差别较大的岩石相接触时，且岩体中结构面发育时容易形成不稳定岩体。

③当岩石经历了长期的构造运动时，力学性质已发生较大的衰减，特别是经历了“先压后张”的围岩，尤其要注意。此种情况下的洞内观察，必须进行地质素描，对掌子面岩石进行详细描述，包括节理走向、组数，节理面间夹层形状以及渗漏水情况等，同时应对其自稳能力进行定性分析，具体可采用地质锤敲打、手捏等方式进行。出现这种情况后应及时进行信息反馈，提出紧急应对措施防止发生隧道塌方。

此外，进行洞内工程地质观测时，还应学会充分利用现场各种条件，比如隧道掘进时，钻机在不同类别围岩中钻进的难易程度、钻进速度等可以作为开挖面前方岩石岩性的评价参数。由于钻机在通过完整性不同的围岩、节理发育程度不同的围岩以及地下水发育程度不同的围岩时，表现出不同的速度和难易程度，通过对这些速度进行对比，综合考虑岩屑的颜色、气味，来定性评价掌子面前方围岩的稳定情况。

3．2　水文地质观察方法与应用

隧道内的水是影响山岭隧道施工和后期运营维护的重大影响因素之一。隧道施工时发生的涌水不仅对作业面环境有影响，也会使掌子面不稳定，影响锚喷混凝土的施工质量。特别是在有大量的高压涌水的情况下，常常酿成重大事故。因此掌子面地质观测的另外一个重点就是水的问题。

3．2．1　水的危害

水的直接作用可以造成软岩的软化，促进破碎带、裂隙剥离、粘土膨胀和无凝聚力围岩的流动化，从而造成土压增大、侧壁崩塌、围岩流变和掌子面坍塌等不良后果。

3．2．2　观察方法及重点

根据水的危害性，大体上应从4个方面加强观测，即水源、水量、水分和水的位置。水源，即要通过涌水段地貌、岩性，结合地质勘测资料观察分析水的来源为裂隙水还是地下水；水量，大体上可以分为滴水（水量＜0．04 L/（s·m））、线状（水量在0．04～0．21 L/（s·m））和股状等几个等级；水分，即水的成分，通过水的成分分析，一方面可以确定水对围岩的腐蚀性，另一方面可以确定是否出现围岩遇水软化现象等；水的位置，即确定是掌子面涌水、侧壁涌水，还是周边涌水。

3．3．3　信息反馈

水量：首先根据水量确定进行信息反馈的必要性。当水量较小，对隧道开挖影响不大时，只需进行正常的地质素描；当隧道内的水量过大时（成股状以上），必须进行信息反馈，提出施工建议。

水源：水量较大的裂隙水会降低围岩的内摩擦角，造成细粒流失，危及掌子面的自稳性。水量较大的地下水涌现是最难解决的一个问题，处理这类问题时应注意水资源和水环境的保护。

水分：渗水较浊且含有岩层中的化学物质时，说明水对周围围岩具有强腐蚀性或是由于它的存在导致岩石遇水软化。

水的位置：掌子面水量较大时，水会向支护底部集中从而影响作业，同时使底部围岩劣化，因局部压密而造成支护下沉，产生支护变异和断面异常等；侧壁有水时，喷射混凝土会粘附不良，或不能施工；周边涌水是造成施工效率大幅降低的重要原因。

对上述水的4个方面进行观测之后，可以选取下列一项或者几项提出施工建议。

①增加混凝土中速凝剂的含量，加快凝结速度。

②使用编织金属网改善喷射混凝土的附着条件。

③对岩面进行排水处理。

④设置防水层。

⑤打排水孔或设排水导坑。

⑥对围岩进行注浆加固。

4　结　论

总之，正确判断开挖掌子面前方的隧道地质状况是隧道施工安全、优质、经济、快速的前提。地质观测于每循环爆破结束后在掌子面进行，由技术人员观察掌子面的岩性、岩体结构、岩层产状、有无不良地质构造、地下水发育情况等，并做详细记录。根据观察结果，对围岩稳定性做出综合评价。利用地质素描和岩层产状，对掌子面前方的地质状况进行预测。在进行掌子面地质观察的过程中，每隔10 m左右用红外数码相机记录掌子面的岩性与节理等地质信息。这些影像信息经过整理加工，一方面可用于掌子面前方的地质预测，另一方面可作为隧道穿越地层的客观记录而长期存档，为隧道后期的运营养护提供资料。

参考文献

［1］交通部重庆公路科学研究所．公路隧道施工技术规范（JTJ 042—94）［S］．北京：人民交通出版社，1994．

［2］吕康成．隧道工程试验检测技术［M］．北京：人民交通出版社，2000．

［3］李晓红．隧道新奥法及其量测技术［M］，北京：科学出版社，2002．