超前地質預報技術在西格二線關角隧道的應用

趙天熙

(青藏鐵路公司西格二線建設指揮部,西寧 810007)

超前地質預報技術在西格二線關角隧道的應用

趙天熙

(青藏鐵路公司西格二線建設指揮部,西寧 810007)

關角隧道是目前我國已開工建設的最長鐵路隧道,位于青藏高原東北緣,區內斷裂及褶皺均較發育,地質條件復雜;高地應力、巖溶、突涌水是隧道施工中的主要地質問題。采取正確的超前地質預報技術對其進行超前探測,提出行之有效的防治措施是保證關角隧道施工安全的關鍵。

關角隧道 青藏高原 地質問題 防治措施

1 隧道概況

新建關角隧道位于既有鐵路天棚至察汗諾車站之間,全長 32.645 km(隧道進口高程為3 380.75 m,出口高程為3 324.05m),設計為兩座平行的單線隧道,設計時速 160 km/h,線間距 40m,均位于直線段上。隧道進口段為 8‰的上坡,在嶺脊設坡度代數差后,以9.5‰的坡度連續下坡。天棚至察汗諾車站之間的區間長度 39.363 km,關角隧道的建成將既有線路縮短了 36.837 km。關角隧道采用鉆爆法施工,總體設計思路是采用 10座斜井及局部平導輔助正洞施工。

2 工程地質及水文地質概況

2.1 地層巖性

關角隧道地層巖性極其復雜,沉積巖、巖漿巖、變質巖三大巖類均有出露,出露的地層主要有第四系、三疊系、二疊系、石炭系、志留系、下元古界,并伴有華力西期侵入巖,地層巖性特征分述如下：

1)第四系全新統(Q4)主要為現代河床沖積、洪積層和坡積層,由砂質黃土、粉質黏土、細砂、圓礫土、卵石土及碎石土組成。

2)三疊系(T)有兩個截然不同的沉積類型,以關角日吉山一帶出露的石炭系為界分為南北兩帶,北帶為三疊系中統及中下統,是淺海相陸臺蓋層碳酸鹽、碎屑巖沉積,和下伏二疊系地層呈平行不整合接觸,巖性主要以灰巖、砂巖為主;南帶為三疊系下統,屬于南祁連褶皺帶冒地槽型沉積的范圍,呈規模不大的地質體零星分布,以礫巖、砂巖,呈角度不整合蓋在石炭系地層之上。

3)二疊系(P)以碳酸鹽為主的陸臺型淺海相沉積,巖性以灰巖為主,局部夾少量砂巖,和下伏石炭系地層呈角度不整合接觸,接觸帶附近,巖體破碎。

4)石炭系(C)由變質、變形強烈的巖性組成,呈北西向帶狀展布于測區中部。這是一套變質的淺海相碎屑巖建造,以變質砂巖、片巖為主,夾少量大理巖、板巖,和下元古界地層呈斷層接觸。

5)志留系(S)為變質的海相類復理碎屑沉積,以變質砂巖為主,局部夾板巖、片巖和少量千枚巖。大部巖石中均或多或少含有一些凝灰質成份,巖體受構造影響嚴重,受強烈的韌性變形和動態重結晶作用,原巖結構遭到破壞,因而具有糜棱結構和流動構造,主要分布于隧道進口段。

6)下元古界(Pt)由混合巖化作用形成的混合巖,主要為混合片麻巖、眼球狀混合巖組成,局部為少量角閃巖和大理巖,主要分布于隧道出口段。

2.2 地質構造

1)褶皺構造。關角隧道褶皺發育,總體上呈北北西向展布,主要發育華力西期和印支期褶皺帶。褶皺構造在區內主要表現為三種類型,一種以下古生界、石炭系中的褶皺為代表,以近于線狀的緊密褶皺為主,屬基底褶皺性質;一種以二疊、三疊系中的褶皺為代表,以開闊的正常褶皺為主,屬蓋層褶皺性質;第三種是上第三系中的褶皺,以波狀起伏的緩傾斜正常褶曲為主,是新構造運動造成的。

2)斷裂構造。關角隧道通過區內斷裂構造極為發育,通過大小不等斷層共 17條。根據斷層規模及其構造意義可以分為兩級,一級為區域性深大斷裂(F),二級為區域斷裂或次級斷裂(f)。

3)水文地質。關角隧道地下水豐富,預測Ⅰ線隧道正常涌水36 759.9 m3,最大涌水81 088.1m3;Ⅱ線隧道正常涌水60 860.8m3,最大涌水134 251.8m3。

2.3 隧道施工中的主要地質問題

通過對隧道區水文地質、工程地質條件的綜合分析,預測隧道施工中可能存在的主要地質問題是突水涌水、軟弱圍巖大變形和圍巖失穩等。

3 超前地質預報技術及應用

關角隧道區復雜的地質條件不僅在技術上將給隧道建設工作帶來極大的困難,也將常常因突發事故而導致人身傷亡、工期延誤,造成巨大的經濟損失。隧道地下工程圍巖地層的復雜性和不可預見性,使得現場技術人員更多地依據工程經驗和采用事后處理的方法來對付突發事故,這增加了施工的被動性,影響施工進度,增加工程投資。為盡量減少地質災害的發生,先進的地質探測設備的應用,無疑對隧道的施工有重要的指導作用。

當前,國內外的隧道地質超前預報技術正在發展之中,目前應用的負視速度法,水平剖面法,TSP(隧道地震反射波超前地質預報系統)、TGP(隧道地質超前預報系統)、TRT(隧道層析掃描超前預報系統)與 TST(地震偏移成像超前預報)等技術,都逐漸進入地下工程領域。通過現場的不斷實踐,利用多手段、多設備,地質分析與工程物探相結合,地震方法與地磁方法相結合的綜合超前預報方案,能解決掌子面前方圍巖速度結構可靠分析的問題,解決不良地質構造、含水構造、含瓦斯氣構造的超前預報問題,實現了隧道圍巖地質結構的精確成像,適合復雜地質條件下的地質超前預報應用。

在關角隧道超前地質預報中,主要采取的是綜合超前地質預報,具體包括四個方面的內容,即隧道主要不良地質和施工地質災害宏觀預報,隧道洞身主要不良地質體的長期、短期超前預報,超前鉆探和施工地質災害臨近警報期四種預報方案和工作步驟。其具體流程見圖 1。

圖1 關角隧道超前地質預報工作流程

3.1 不同分級地段的工作方法

A級：采用 TSP地質分析法進行長距離預報,并結合地質雷達、紅外探測、超前水平鉆探、掌子面地質素描等手段進行綜合預報。其中 TSP的探測距離不大于 100m;超前水平鉆不少于 3孔,距離 ＞30 m;超長炮孔不少于 6個,長度不少于 6 m;地質雷達探測距離不大于 15m;地質素描每次爆破掘進均要進行。

B級：采用 TSP地質分析法進行長距離預報,并結合地質雷達、紅外探測、必要的超前水平鉆探等手段進行綜合預報,當發現局部地段工程地質條件復雜時,按A級要求實施。

C級：以地質素描為主,對重要的地質(層)界面、斷層或物探異常地段,可采用 TSP地質分析法進行長距離預報。

D級：采用地質素描進行預報。

3.2 各種超前預報工作的特點

1)TSP超前預報。TSP超前地質預報系統是專門為隧道和地下工程超前地質預報研制開發的目前世界上在此領域較先進的設備。其原理是采用回聲測量原理：地震波在指定的震源點用小藥量激發產生;地震波在巖石中以球面波形式傳播;當地震波遇到巖石物性界面時,一部分地震信號反射回來,另一部分信號折射進入前方介質;反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。TSP地質超前預報系統的現場布置及測試過程由一系列炮點、兩個三維接收傳感器(X、Y、Z方向)、接收機及數據處理系統組成。

TSP超前地質預報系統的優點是：為方便快捷地預報掌子面前方 100～150m范圍內的地質情況提供了一種有效的方法和工具,為隧道變更施工工藝提供了依據,大大減少隧道施工坍方帶來的危險性,減少了人員和機械的損傷,經濟效益明顯。

2)地質雷達。作為 TSP超前地質預報的補充,在高水壓地段,對 TSP預報的異常點,如確定異常體的規模、性質、危害性有困難時,采用地質雷達作為補充手段。地質雷達依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作,發射天線將高頻(106～109 Hz或更高)的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下,被地下介質(或埋藏物)反射,然后由接收天線接收。根據電磁波理論,當雷達脈沖在地下傳播過程中,遇到不同電性介質交界面時,由于上下介質的電磁特性不同而產生折射和反射,以此對隧道前方地質情況(巖性、完整性、巖溶空洞、裂隙水情況等)進行分析評價工作。

地質雷達的優點是：操作方便,對施工基本無干擾,20 min即可對掌子面前方做出探測。可對隧道底部、兩側邊墻存在的巖溶、空洞情況進行探測。精度高,對巖溶、水較敏感。

3)地質素描。利用常規地質理論和作圖法,將隧道所揭露的地層巖性、地質構造、結構面產狀、地下水出露點位置及出水狀態、出水量、煤層、溶洞等準確記錄下來并繪制成圖表,結合已有勘測資料,進行隧道開挖面前方地質條件的預測預報工作。該方法設備簡單、操作方便、不占用隧道施工時間,提交資料及時,費用低,但對操作人員地質知識水平要求較高,需要地質專業人員來完成。

4)紅外探水。利用所有物體都能發射出不可見的紅外線能量的原理。能量的大小與物體的發射率成正比,而發射率的大小取決于物體的物質和它的表面狀況。當隧道掌子面前方及周邊介質單一時,所測得的紅外場為正常場,當前面存在隱伏含水構造或有水時,所產生的場強要疊加到正常場上,從而使正常場產生畸變。據此,判斷掌子面前方一定范圍內有無含水構造。現場測試有兩種方法：一是在掌子面上,分上、中、下及左、中、右六條測線的交點測取 9個數據,根據這 9個數據之間的最大差值來判斷是否有水;二是由掌子面向掘進后方(或洞口)按左邊墻、拱部、右邊墻的順序進行測試,每 5m或 3m測取一組數據,共測取50 m或 30m,并繪制相應的紅外輻射曲線,根據曲線的趨勢判斷前方有無含水。

5)超前水平鉆。根據不同的地質條件,針對不同的探測對象以及不同的超前預報等級,主要分為長距離(50～100 m)超前水平鉆探和短距離超前鉆探兩種：①長距離(50～100 m)超前水平鉆探,水平探孔直徑不小于 110 mm,鉆深達到 50～100 m;②短距離(20～30m)超前水平鉆探,水平探孔直徑不小于 110mm,鉆深達到 20～30m。

根據地質詳勘報告和設計圖紙,結合本標段實際情況,在掘進工作面上布設超前探孔,在鉆探中根據鉆機在鉆進過程中推力、扭矩、鉆速大小、巖粉成份、成孔難易及鉆孔出水情況來判斷前方的地層和巖性,同時進行涌水量和水壓測試,判斷掘進工作面前方地層含水情況。必要時,每個掘進工作面增設超前探水孔 2～3個,分別位于拱頂和拱腰部位,超前探水孔終孔位于隧道開挖輪廓線外 1.5～1.3m。

4 應用實例

2008年 8月 2日 4#斜井施工至掌子面里程斜 9+88位置時,在掌子面有兩處出水點：一處位于右側底板,呈泉眼狀涌水;另一處位于隧道中線距底板 40 cm處,經鉆孔向外噴水,噴射距離約 3 m。水質清澈,突涌水以極快的速度向洞口方向推進,具有承壓性。8月 3日,在掌子面有大股地下水涌出,最大涌水量約8 000～8 500m3/h。

為了保證隧道的施工安全,在進行了詳細的現場踏勘和實地調查后,確定該掌子面的超前預報方案是：以工程地質分析其涌水的成因,TSP超前預報探測為主,輔以紅外探水和超前水平鉆驗證。

本次涌水主要來源于先期賦存在掌子面前方的受到構造裂隙嚴格控制的的地下水,由于斜井上部是一個有利于匯水的山谷,加上隧道區域上近期降水量較大,使得在 4#斜井掌子面前方構造裂隙中賦存的地下水量有所增加。另外,地表水和地下水對于其補給通道比較十分通暢,加上該儲水構造形成時間較長,賦存了較大的水量,且具有一定的承壓性。

超前地質預報探測圖(圖 2)顯示,在掌子面前方約 50～106 m之間有一寬約 56m隱伏的斷裂構造帶,其存在控制著掌子面地下水的分布情況,現在掌子面的涌水就是這個斷裂構造上盤下部構造裂隙中所賦存的地下水。隨后進行了超前水平鉆的探測,在斜 9+39～斜 8+80的位置,有較豐富的地下水。根據超前預報的情況,施工單位適時地采取了注漿、排水、加強支護等措施,保證了隧道施工地的順利進行。

圖2 關角隧道 4#斜井斜 9+88超前地質預報圖

5 結論

通過對青藏鐵路關角隧道采用綜合地質超前預報方案的實施和預報數據的處理,利用系統集成的方法,綜合各類地質信息,采用先進的計算機技術進行建模分析及數值模研究。通過對掌子面前方的地質進行全方位的系統研究,提出了預測預報結果,再根據現場的預報結果,實施動態的施工方法,及時調整圍巖分級、設計參數及施工方案。同時對掌子面前方可能誘發的重大地質災害建立臨警預報系統,評判其危害程度,并提出施工預案對策,為今后特長隧道的勘察、設計及施工提供理論依據。

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U452.1+1

B

1003-1995(2010)02-0030-04

2009-10-15;

2009-11-17

趙天熙(1958— ),男,甘肅高臺人,高級工程師。

(責任審編 白敏華)