隧道綜合超前地質預報方法及應用

舒 森 王樹棟

(中鐵二院地勘巖土工程有限責任公司,四川成都 610031)

隧道超前地質預報就是在分析既有地質資料的基礎上,采用地質調查、物探、超前地質鉆探、超前導坑等手段,對隧道開挖工作面前方的工程地質與水文地質條件及不良地質體的工程性質、位置、產狀、規模等,進行探測、分析解譯和預報,并提出技術措施建議[1]。

目前隧道超前地質預報主要分為：地質調查法、超前鉆探法、物探法、超前導坑預報法四大類。使用單一的預報方法進行預報,往往有其局限性,并不能達到最好效果。而只有根據探測地質體的實際情況,選擇搭配不同方法進行隧道綜合超前地質預報,對比預報成果,才能得到最佳的預報信息,給施工起到有效的預警作用。

實例主要使用的是超前鉆探法、物探法這兩種方法。而針對隧道地質狀況,物探法使用了可控源音頻大地電磁法、高密度電法、彈性波反射法(TSP法)。

1 隧道超前地質預報方法及優缺點

1.1 地質調查法

地質調查法是利用常規地質理論和作圖法,根據隧道已有勘察資料、地表補充地質調查資料、洞內地質調查資料、隧道開挖工作面地質素描,通過地層層序對比、地層分界線及構造線地下和地表相關性分析、斷層要素與隧道幾何參數的相關性分析、地質作圖和趨勢分析、隧道內不良地質體臨近前兆分析等,推測開挖工作面前方可能揭示的地質情況,進行預測預報,如地層巖性、地質構造、不良地質及特殊地質等[1]。在隧道埋深淺和地質結構不太復雜的情況下具有較高準確性。但在隧道地質結構比較復雜地區和深埋隧道的情況下,其難度較大,工作準確性難以保證[2]。

1.2 超前鉆探法

超前鉆探法是利用鉆機在隧道開挖工作面進行鉆探獲取地質信息的一種超前地質預報方法。適用于各種地質條件下隧道的超前地質預報,宜在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發育區、煤層瓦斯發育區、重大物探異常區等地質條件復雜時采用。它可以比較直觀地探明鉆孔所經過部位的地層巖性、巖體完整程度、巖溶及地下水發育情況等,但其費用高、速度慢、占用隧道施工時間長。由于鉆孔主要顯示的是某一點的信息,所以對斷層等面狀構造一般會有較好效果,但對溶洞有漏報的可能[1]。

1.3 超前導坑預報法

超前導坑預報法是以超前導坑中揭示的地質情況,通過地質理論和作圖法預報正洞地質條件的方法,可分為平行超前導坑法、正洞超前導坑法,以先行開挖的隧道預報后開挖的隧道地質條件。適用于各種地質情況,由超前導坑地質情況推測未開挖地段隧道地質條件,超前導坑預報法對煤層、斷層等面狀結構面預報比較準確,對巖溶等有預報不準的可能[1]。

1.4 物探法

物探法是當探測對象與其相鄰介質存在的一定物性差異,并具有足以被探測的規模時使用。在地質條件復雜的工點和存在多種干擾因素的工點,應充分利用被探測對象的物性條件,積極開展綜合物探[2]。物探方法用時少、費用低,但由于物探反演的多解性,也存在預報不足的情況。

實例中使用的物探方法是可控源音頻大地電磁法、高密度電法和彈性波反射法(TSP法)。

(1)可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是利用人工場源激發地下巖石,在電流流過時產生的電位差,接收不同供電頻率形成的一次場電位,由于不同頻率的場在地層中的傳播深度不同,所反映深度也就與頻率構成一個數學關系,不同電導率的巖石在電流流過時所產生的電位和磁場是不同的,CSAMT方法就是利用不同巖石的電導率差異觀測一次場電位和磁場強度變化的一種電磁勘探方法。CSAMT特點主要是勘探深度范圍大,分辨力較高,低阻敏感性好,地形影響小,場源影響小,抗干擾能力強,設計靈活,高效便捷[3]。盡管CSAMT方法具有不少優點,但也還存在一些缺點,比如靜態效應、近場效應等[4]。CSAMT野外工作布置圖見圖1。

圖1 CSAMT法野外工作布置(單位：km)

(2)高密度電法

高密度電法指的是直流高密度電阻率法,以巖石的電性差異(即電阻率差異)為基礎。高密度電阻率法實際上是一種陣列勘探方法,野外測量時只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點上,然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集。最后通過電阻率差異來判斷勘察地區的地質情況[5]。高密度電法特點是適用性廣,快捷且具有較高精度。但容易受地形的影響、旁側影響,探測范圍有限,多解性。

(3)彈性波反射法

彈性波反射法利用人工激發的地震波、聲波在不均勻地質體中產生的反射波特性,預報隧道開挖工作面前方的地質情況。彈性波反射法適用于劃分地層界線,查找地質構造,探測不良地質體的厚度和范圍[1]。實例中具體使用的是 TSP法,全稱為隧道地震波法(Tunnel Seismic Prediction),其原理是通過小藥量爆破所產生的地震波信號沿隧道方向以球面波的形式傳播,在不同的巖層中地震波以不同的速度傳播,在其界面處被反射,并被高精度的接收器接收。通過計算機軟件分析前方圍巖性質、節理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等,最終在顯示屏上顯示各種圍巖構造界面與隧道軸線相交所呈現的角度及距工作面的距離,并可初步測定巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數以供參考[6]。該法具有用時短,費用低,對影響隧道施工小,探測距離較長,但易受采集條件影響,影響數據準確性,對三維空間個體探測可能不足。TSP法探測示意見圖2。

圖2 TSP系統探測示意

2 工程實例

2.1 工程概況

某隧道位于我國西部,地處剝蝕構造中山地貌。緩坡和低洼地帶分布第四系全新統松散土層,下伏基巖為二疊系玄武巖夾凝灰巖,巖體節理裂隙發育,完整性較差,全風化帶及強風化帶厚,且全風化帶具中—強膨脹性。地下水主要為二疊系玄武巖夾凝灰巖中的基巖裂隙水。DIK59+650～DIK59+900段中獨木橋南斷層交隧道軸向于DIK59+670～DIK59+690段,圍巖設計級別為Ⅴ級,其余部分為Ⅲ級,圍巖為玄武巖夾凝灰巖,弱風化帶,已開挖部分圍巖破碎、含水。如圖3所示。

圖3 地質縱斷面

2.2 超前鉆探法結論

通過超前鉆探,在不同位置得到的巖樣破碎程度及鉆孔中水的流量,結合鐵路隧道圍巖分級標準[7],對隧道未開挖部分圍巖級別進行劃分：DIK59+650～DIK59+660段為 Ⅳ級；DIK59+799.6～DIK59+814.5段為Ⅳ級；DIK59+814.5～DIK59+838.8段為Ⅴ級；DIK59+838.8～DIK59+868.2段為Ⅳ級；DIK59+868.2～DIK59+900段為Ⅴ級。

2.3 可控源音頻大地電磁法結論

通過CSAMT工作得到成果圖(見圖4),結合對應地質信息與判釋標準,認為在DIK59+650～DIK59+900段圍巖為含水、較軟弱或較破碎,富水、軟弱、破碎或含暗色礦物的巖體,特別是在DIK59+760～DIK59+875段視電阻率(ρs)值極低,一般小于60 Ω?m,推測圍巖為富水、軟弱、破碎或含暗色礦物(如鐵、鎂等低阻礦物)的巖體,施工中要預防涌水或塌方。結合鐵路隧道圍巖分級標準[7],對隧道未開挖部分圍巖級別進行劃分：DIK59+650～DIK59+760段為Ⅳ級；DIK59+760～DIK59+875段為 Ⅴ級；DIK59+875～DIK59+900段為Ⅳ級。

圖4 可控源音頻大地電磁勘探成果

2.4 高密度電法結論

通過高密度電法工作得到成果圖(見圖5),結合對應地質信息與解譯標準,認為在DIK59+650～DIK59+900范圍內DIK59+650～DIK59+760段,由于視電阻率主要在60～900Ω?m之間且受構造影響嚴重,巖石破碎,地下水豐富,呈線流、雨淋、股狀涌水。圍巖穩定性差,特別是凝灰巖夾層遇水軟化易坍塌；在DIK59+760～DIK59+900段內視電阻率大于1 800Ω?m,受構造影響嚴重,地下水豐富,呈滴水—雨淋狀,圍巖穩定性一般,拱部無支護會出現坍塌。結合鐵路隧道圍巖分級標準[7],對隧道未開挖部分圍巖級別進行劃分。DIK59+650～DIK59+760段：Ⅴ級；DIK59+760 ～DIK59+900段 ：Ⅳ級。

圖5 高密度電法勘探成果

圖6 TSP 2D成果

2.5 彈性波反射法結論

使用TSP203進行幾次探測,通過數據處理,可以得到一系列數據成果(如圖6和圖7),結合開挖地質資料可以得到：DIK59+650～DIK59+678段圍巖破碎,富水；DIK59+678～DIK59+722段圍巖極破碎,推測為獨木橋南斷層及其影響帶,富水；DIK59+722～DIK59+750段圍巖破碎,富水；DIK59+750～DIK59+785段圍巖破碎,含水；DIK59+785～DIK59+846段圍巖破碎,含水；DIK59+846 ～DIK59+855段圍巖破碎；DIK59+855～DIK59+880段圍巖破碎,富水,其中DIK59+879～DIK59+867段節理裂隙發育、極破碎,施工時需加強支護；DIK59+880～DIK59+887段圍巖破碎,含水；DIK59+880～DIK59+900段圍巖破碎,含水。

圖7 TSP速度分析成果

結合鐵路隧道圍巖分級標準[7],對隧道未開挖部分圍巖級別進行劃分：DIK59+650～DIK59+750段為Ⅴ級；DIK59+750 ～DIK59+855段為Ⅳ級；DIK59+855～DIK59+880段為Ⅴ級；DIK59+880 ～DIK59+900段為Ⅳ級。

2.6 開挖圍巖與四種預報方法結論的對比

隧道開挖后,DIK59+650～DIK59+900范圍內,DIK59+660～DIK59+700段圍巖主要為黑、灰黃褐色強風化玄武巖,并有3 cm泥化夾層；DIK59+700～DIK59+770段圍巖主要為黃、灰、紅褐色強風化玄武巖,并有泥化夾層,DIK59+785～DIK59+760段涌水,水量為350 ～420 m3/h；DIK59+810 ～DIK59+890段主要以玄武巖為主,局部出現凝灰巖,呈青灰、灰褐及黃褐色。

根據施工時實際情況,圍巖級別與超前鉆探法、可控源音頻大地電磁法、高密度電法、彈性波反射法(TSP法)四種方法結論推測圍巖級別的對比見表1。

表1 圍巖級別對比

從表1中不難得出,單一方法難以準確預報未開挖段的實際情況,有時反而有較大差距,但當將四種方法的結論和地質基礎信息進行綜合考慮,就可以從宏觀到具體上得到較為準確的預報結論。按圖8中的流程,將地質信息和各單一方法結論交互對比,融合,最后得到優化后的預報結論,這就是為什么要進行綜合超前地質預報工作的原因。

圖8 綜合地質預報流程

3 結論

隧道綜合超前預報是一項復雜的工作,良好的地質信息是所有預報方法的根基。只有將地質信息與預報有機結合才能得出正確的結論。

單一的預報方法是有局限性的,依靠單一方法的預報是不可靠的,只有將幾種方法互為補充,才能夠得出準確的預報。

良好的原始數據或資料是正確預報的基礎,工作時要按照標準規程進行操作和記錄,盡量減少各種影響因素。

做好已開挖段地質信息與預報結論的驗證,通過驗證,不斷調整預報方法的探測和處理過程,從而為之后的預報的準確性打下更加牢固的基礎。

[1]鐵建設[2008]105號 鐵路隧道超前地質預報技術指南[S]

[2]李永華,程文斌.淺談客運專線長大復雜隧道地質超前預報[J].科技情報開發與經濟,2007,17(3)：278-279

[3]張青杉,穆建強.CSAMT與地熱勘查[J].地質找礦論叢,2003,18(z1)：184-186

[4]王赟,楊德義,石昆法.CSAMT法基本理論及在工程中的應用[J].煤炭學報 ,2002,27(4)：383-387

[5]杜華光.高密度電法在工程地質勘察中的應用[J].路基工程,2008(4)：110-112

[6]呂喬森,羅學東,任 浩.綜合超前地質預報技術在穿河隧道中的應用[J].隧道建設,2009,29(2)：189-193

[7]TB10012—2007 鐵路工程地質勘察規范[S]