软岩大变形隧道防坍塌监测预警技术在施工中的应用

曾春涛

(保利长大工程有限公司，广州 510620)

0 引言

随着经济社会的发展，人们对交通出行的需求越来越大，隧道工程的建设项目也越来越多，面临的挑战也越来越大。如川藏铁路等一系列大规模隧道群的涌现，使得隧道工程面临着许多新的挑战[1-3]。受勘察技术经济的影响，在隧道工程的建设之中会出现塌方等事故，对隧道施工人员的生命安全和企业效益造成难以估量的危害。预防塌方事故的发生，对于保障施工人员的生命安全有着极其重要的意义。杨红丽和邱国俊[4-5]等通过施工管理对隧道建设过程中的防坍塌措施进行探讨。汪君君[6]等针对隧道浅埋段坍塌的预防技术进行了分析和探讨。熊燕[7]等在技术交底、施工要点、安全教育、管理措施等方面讨论预防坍塌的技术措施。宁绍吉[8]针对大断面软岩隧道，结合隧道的地质情况，对其变形控制技术、塌方预防措施和突水突泥的处理进行了探索。可以看出，塌方问题已经成为制约隧道施工进度的重要因素。针对炭质泥岩软岩大变形问题，研究如何有效及时地监测已支护段落的稳定性，预防隧道发生坍塌，确保施工安全，成了一个迫切的问题。

本文依托梅大高速公路梅州东环支线项目其古顶隧道，在施工过程中应用防坍塌智能无线监测预警技术，及时发现了异常，有效预防了坍塌安全事故的发生，可为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

其古顶隧道设计为分离式(洞口小净距)隧道(图1)，左线起讫桩号L1K9+368～L1K11+519，长2 151m，Ⅳ级围岩1 040m，V级围岩1 077m；右线起讫桩号K9+364～K11+528，长2 164m，Ⅳ级围岩904m，V级围岩1 224m。设计Ⅴ级围岩比例为55%，与隧道工程相关的断裂构造为Fm4及Fm7断层，小断层f2及f4。

图1 其古顶隧道平面

其古顶隧道自2017年9月开工建设以来，遭遇广东省罕有的炭质泥岩软大变形问题，施工难度较大。隧道在完成初期支护后，仍然有较大的沉降，初支支护出现了环向开裂、纵向鼓包、喷射混凝土网状开裂、混凝土剥落、围岩坍塌失稳及初支侵入二衬限界等大变形灾害(图2～图4)。监控量测沉降最大达274mm/d(2018年5月16日，左洞L1K9+575断面)，累计沉降最大达1 100mm(右洞K11+474断面)，施工过程中多段发生侵限，其中2018年出口右洞换拱率接近80%。

图2 初支侵限换拱

图3 初支混凝土环向开裂

图4 拱架鼓包变形

图5 其古顶隧道支护段落变形情况

掌子面围岩多为全-强风化炭质泥岩，软弱滑层较多，层间结合较差，围岩松散，节理裂隙发育，强度较低，自稳能力较差，开挖受扰动后拱顶易发生掉块和小塌方(图6～图7)。

图6 滑塌体将拱架砸坏

图7 掌子面经常发生小塌方

2 开挖过程中揭露炭质泥岩特性分析

根据开挖揭露围岩，其古顶隧道洞口段围岩主要为全-强风化炭质泥岩，由岩粉、压碎的岩石碎屑、碎片等组成，呈薄片状，有大量密集的节理，围岩内聚力C、内摩擦角φ较低。具有膨胀性，开挖后易风化，风化后很快就分解为鳞片状或粉末状，遇水软化、崩解，呈泥糊状。

图8 全风化炭质泥岩风化后成粉末状

图9 局部构造作用存在挤压小褶皱

其古顶隧道洞身围岩主要为强-中风化炭质泥岩组成，地质构造较发育，常见扭曲小褶皱，岩体较破碎，岩层间多为光滑镜面层理，岩体的抗剪强度低，对爆破振动影响很敏感。对于有地下渗水段，由于层间多夹杂软弱风化层，被水浸泡后，围岩整体强度和稳定性受到影响，经常出现异常沉降的问题。炭质泥岩具有以下特点：

(1)强度低，裂隙层理密集发育。

(2)抗剪强度低。由于岩粉石屑存在，其以炭质滑膜的形式存在于层理之间，致使层理之间摩擦系数很小，几乎为零，极易滑移。

(3)易软化，在水的浸润下，极易软化，经常变成泥糊状。

(4)易崩解，碎后的形状均为鳞片状或粉末状。

(5)炭质泥岩的各向异性和炭质滑膜的综合因素，使围岩的变形具有强烈的非对称性。炭质泥岩的塑性变形范围较大，导致隧道周边形成松散破碎区、塑性变形区。

3 工程应用背景

隧道施工素有“怕软不怕硬”之说，隧道工程软岩大变形问题，在国内仍是一个较难的工程问题。目前，专门针对炭质泥岩隧道和地下工程的研究较少，实践上和理论上均存在着一定的不足，炭质泥岩软岩大变形的施工方法仍处于不断探索的一个过程。由于隧道围岩属于不均质体，在不同区域位置，围岩差异性较大，施工后沉降亦有区别。虽然研究者们在各自的研究领域分别进行了大变形的研究，提出了不同的解决方法，但仍然没有一个统一的标准施工方法，完全限制炭质泥岩的变形。在其古顶隧道施工过程中，针对炭质泥岩大变形问题，尽管采取了很多措施，但变形依然没有完全得到有效抑制，支护完成后，变形依旧存在。

针对炭质泥岩软岩大变形的问题，须研究如何有效及时地监测已支护段落的稳定性，预防隧道发生坍塌，以确保施工安全。

4 隧道施工防坍塌智能无线监测预警技术

针对其古顶隧道地质条件的复杂性，在施工过程中结合防坍塌智能无线监测预警技术，及时跟踪了解围岩和支护的动态，进一步加强对现场施工的指导，使其古顶隧道每一步的施工更加安全、科学、经济合理。通过实时的初支变形监测，结合现场的施工工序、步骤，能为定性判断隧道初支的稳定性提供客观科学的依据。防坍塌智能无线监测预警技术具有造价相对低廉、不易损坏、功耗低、可靠性高等特点。

4.1 技术原理

防坍塌智能无线监测预警系统，主要通过布设于隧道初支面上的传感器，实时监测其古顶隧道软弱炭质泥岩初支位移变化的情况。当隧道初期支护结构变形时，传感器会感应到结构变形的信息，假如变化值超过设置的预警值，即可发送短信或通过APP反馈至现场管理人员，并将预警信息传送至隧道洞内，通过安装在作业台车上的报警喇叭对现场作业人员发出警告，接到信息后作业人员及时撤离。

图10 防坍塌智能无线监测预警技术工作原理

图11 防坍塌智能无线监测预警技术工作过程

4.2 工程应用

根据其古顶隧道初支变形及掌子面超前钻探情况，隧道出口右洞K11+460～K11+410长度范围的隧道围岩基本为全-强风化炭质泥岩，钻探揭露隧道结构附近岩芯软塑，潮湿，地质条件差，存在施工生产安全风险，因此选择该段实施防塌方预警，监测点布设长度50m。在隧道掌子面后方的初支处，沿隧道轴向按10m间距在洞周布设预警监测断面。

4.2.1 隧道无线预警传感器及无线发射装置

将传感器竖向安装在初期支护的工字钢表面，每个断面安装3个传感器，监测点A位于拱顶、面向掌子面左右两侧拱腰分别对应B、C监测点。

图12 传感器布置

图13 传感器实物及安装

在隧道内合适的位置，安装无线中继器，通过无线中继器传输埋设在初支内传感器的变形信息。中继器沿隧道纵向每180m安装1台。

为了实现预警信息的联网及多终端的传输，在隧道口安装1台无线监测基站，将变形数据传送至网络终端。

图14 防坍塌智能无线监测预警系统

4.2.2 隧道无线监测预警

当监测过程中，任意一传感器满足以下条件之一时，即表示所测段的隧道发生了变形，发出初步预警。

(1)传感器读数>1.5倍精度值。

(2)传感器加速度值a连续1h大于0。

(3)结合隧道变形情况，监测频率可适时调整，隧道变形时可加密至1次/(30s)。

(4)有异常变形时及时提交预警报告。

4.2.3 监测数据结果及分析

2018年8月16日下午隧址区突降暴雨，当日晚19：00，监控量测数据显示其古顶隧道出口右洞K11+475段断面沉降量突变，其中A点沉降81.4mm、B点沉降100.3mm、C点沉降113.6mm，监测软件向参建各方发出预警，现场暂停施工。

现场检查时发现其古顶隧道右洞K11+475、K11+480.4附近初支面出现环向裂缝，裂缝宽度约5～8mm；K11+480.4初支面混凝土有明显的层状剥落。经地表踏勘之后发现，地表处有1～2cm的纵环向裂缝。

暂停施工后，连续数日的监控数据显示该断面沉降仍未稳定，有塌方失稳的风险。隧道无线监控预警系统及时发出警告，降低了施工风险。

5 效果分析

5.1 技术优势

(1)应用隧道防坍塌智能无线监测预警系统，只需要将监测传感器安装在初期支护的工字钢拱架上，通过信号发射器发送到中转接收器中，实现“无线”传输。相比传统的监测方式，避免了因为缆线损坏而导致系统失效的问题。

(2)隧道防坍塌智能无线监测预警系统通过专门的解译程序，将初期支护变形的数据转换为可视化的数据及直观的预警声音，减少了数据处理及分析的时间，及时将信息反馈至现场。

(3)能够多终端接收预警信息，直接将初期支护结构变形的信息反馈给现场的作业人员，及时预警，避免冒险作业，降低施工风险。

(4)解决了传统监测手段中遇到的容易被损坏、监测仪器复杂、监测数据难以便利传输、信号转换时间长、信号不稳定等难题。

5.2 安全优势

传统的隧道初支变形数据需要测量人员用全站仪测得原始数据，再进行整理、对比分析后才能得出结果，因此传统的人工定期监测措施不能实时监测、更不能及时发现塌方等一些突发变形情况，且测量数据存在一定的人为误差。防坍塌智能无线监测预警技术提高了其古顶隧道软弱炭质泥岩初支大变形的监测效率，及时、准确掌握隧道初支实际的稳定状态，对可能发生的塌方进行预警，对隧道初支变形的实时掌控和提升隧道施工的安全性具有重要作用。

6 结语

其古顶隧道在施工过程中，遭遇了我省罕见的炭质泥岩软大变形问题，炭质泥岩软岩大变形在国内仍属于一个技术难题。经过不断探索和总结经验，顺利完成了四个洞口的浅埋偏压段施工以及洞身段断层破碎带施工。其古顶隧道施工应用隧道防坍塌智能无线监测预警技术，及时发现了异常，有效预防了坍塌安全事故的发生，可为同类工程提供一定的参考。