超前地質預報在某隧道斷層施工中的應用

石碧波

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430064)

1 齊岳山隧道及F11斷層概況

1.1 隧道概況

齊岳山隧道位于湖北鄂西利川與重慶萬州交界地帶，是宜萬鐵路八座I級風險隧道之一，線路里程DK361+255～DK371+783，全長10528 m，洞身最大埋深670m，全隧單面下坡，平均設計坡度14.3‰。

1.2 斷層概況

F11斷層屬區域性逆斷層，走向NE35～45°，傾角50～70°，發育在T1j4以白云巖為主的硬質可溶巖與T2b1鈣質頁巖、泥灰巖為主的軟質非可溶巖交界部位，斷層帶由斷層角礫巖、碎裂巖、斷層泥等組成，局部可見角礫的圓化相象，并在角礫狀灰巖的角礫上可見擦痕，膠結物以鈣泥質為主，易被溶蝕，使膠結變得松散。該斷層顯示有多期活動性，規模較大，發育多條次級分支斷層。

前期綜合勘察判定隧道在DK365+110～DK365+340段通過F11斷層，貫穿隧道洞身，直達地表。斷層走向與隧道軸向大致垂直，斷層帶正常涌水量11292 m3/d，最大涌水量114632m3/d。斷層帶隧道洞身埋深260～300m。DK365+110～DK365+340段圍巖級別V～Ⅵ級。

由于F11斷層帶圍巖破碎，含水豐富，且隧道洞身相對淺埋，故對施工安全、質量影響十分巨大。

齊岳山隧道F11斷層工程地質縱斷面簡圖如圖1。

圖1 F11斷層帶工程地質縱斷面

2 針對F11斷層帶的超前地質預報措施

2.1 超前預報措施

針對F11斷層水文工程地質條件，采取物探與鉆探相結合的超前地質預報措施，物探手段采用TSP203;鉆探采用水平鉆機，在隧道掌子面以一定的偏角，沿隧道軸向施作水平鉆孔，并進行水文觀測。

2.2 超前預報原理

2.2.1 TSP203預測

預報采用瑞士安伯格公司生產的最新型號的TSP203 plus隧道地質超前預報系統。TSP測量系統是通過在掌子面后方一定距離內的鉆孔中以微震爆破來發射信號的，爆破引發的地震波在巖體中以球面的形式向四周傳播，其中一部分向隧道前方傳播，經隧道前方的界面反射回來，反射信號經接受傳感器轉換成電信號并放大。從起爆到發射信號被接收的這段時間是與反射面的距離成比例的。通過反射時間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進面的距離確定下來，同時還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便地探測出來。

采集的TSP數據，通過TSP win軟件進行處理，獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數等一系列成果如圖2。

圖2 TSP預報原理

2.2.2 超前鉆探原理

超前鉆探是利用水平鉆機，在隧道掌子面上施作水平鉆孔，依據實際探測需要，鉆孔可以有一定的偏角，通過對典型地段取巖芯和記錄鉆進情況(如是否卡鉆、鉆進平穩程度、出水部位等)，對掌子面前方及開挖輪廓線周邊地層的水文工程地質條件進行判定。

超前鉆探通常輔以水文觀察手段，主要是對鉆孔進行水量、水壓的觀測，水壓可依據測量進度選擇標準水壓表;鉆孔水量的測試一般可分三種情況。

當鉆探完成后，若鉆孔不是滿孔流水，可以直接采用容器提水的方法進行涌水量測試，這種情況當涌水量≤40m3/h時，測試的誤差不大。

當涌水量＞40m3/h，且鉆孔涌水呈股狀噴出時，可采用射程法進行涌水量預估，估算公式如下:

式中:Q為預估涌水量(m3/h);X為鉆孔涌水水平射程(m);D為鉆孔孔口直徑(m);h為鉆孔距隧道底部高度(m);g為重力加速度(m/s2)。

當鉆孔涌水呈霧狀噴出時，可將涌水歸槽后采用堰測法或流速儀測量水量。

3 工程應用實例

3.1 概況

選取位于隧道正洞出口DK365+333～+312段作為地質預報段落，本段位于F11斷層帶內。

3.2 預報情況

3.2.1 TSP203預測成果

對DK365+355～+240段進行的TSP預報成果資料，反應前方圍巖條件如表1。

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3.2.2 超前鉆探預測成果

圖3 掌子面鉆孔布置

采用日本RPD－150多功能快速地質鉆機在DK365+333掌子面進行超前鉆探，鉆孔布置如圖3。

對1#孔進行全孔取芯，對2#孔選取典型地段取芯，鉆探過程全程跟蹤記錄，詳細描述鉆進、涌水情況，鉆探完成后，對1#孔進行水量、水壓測試。

鉆孔反映DK365+333～+320、DK365+315～+312附近為斷層破碎帶，呈碎石土夾黏性土狀態，成分以泥質灰巖為主，夾頁巖、斷層泥;DK365+320～+315為較完整的泥灰巖。

鉆孔反映DK365+333～+323段地下水弱發育，單孔水量2 m3/h;DK365+323～+315水量明顯增大，單孔水量增至28～30m3/h;DK365+315～+312水量繼續穩定增加，終孔水量36～51 m3/h。對比鉆孔范圍的地層分布，分析水量的分布與巖性相關，即含泥量高的破碎帶富水較弱，較完整的巖性段(DK365+320～+315)富水較強。

鉆探探測地質縱斷面如圖4。

圖4 鉆孔探測地質斷面

對1#孔進行水量觀測，做水量變化曲線如圖5。

圖5 鉆孔涌水量隨里程變化關系

對1#孔進行水壓測試，測得掌子面封閉穩定水壓為1.5MPa。

3.2 預報分析結論及施工措施建議

依據超前預報分析資料，DK365+333～+312段水文工程地質條件如下:

(1)預報反映DK365+333～+320附近巖性破碎，地下水弱發育;DK365+320～+315附近巖性整體性稍好，地下水發育;DK365+315～+312附近巖性破碎，地下水水量進一步增大;實測封閉水壓高達1.5MPa;

(2)整體上看，DK365+333～+312段位于F11斷層帶，圍巖均一性差，軟弱、破碎，富水，易突水突泥及發生大規模塌方;

(3)綜合地層、水文情況，建議DK365+333～+312段圍巖分級為VI級。

對DK365+333～+312段建議施工措施如下:

(1)DK365+333～+320段采用加固圈為8 m的全斷面帷幕注漿預加固;超前帷幕注漿達到設計要求后再進行開挖，開挖揭示后根據注漿效果，局部采用襯砌外8 m徑向補注漿，以提高堵水效果;

(2)注漿方式采用分段前進式注漿，遇到破碎帶容易造成坍孔或有大的出水時應立即注漿封堵;

(3)注漿過程中加強對止漿墻及周邊圍巖的變形監控量測，作好施工應急預案。

［1］張民慶.圓梁山隧道高壓富水區徑向注漿技術研究及應用［J］.隧道建設，2004，24(5):21 －28