超前地質預報在隧道施工中的應用

摘要：近年來隧道開挖逐漸趨于斷面大、長度長，在隧道開挖過程中制約關鍵因素是工程地質災害問題。本文結合實際工程，采用TRT技術和水平鉆孔技術相結合，利用超前地質預報結論指導隧道開挖施工，確保施工質量的同時保證施工安全性。

關鍵詞：超前地質預報 隧道施工 應用

近年來，我國交通事業(yè)迎來了建設高峰期，公路、鐵路、城市軌道交通的建設如火如荼，交通建設尤其是公路和鐵路逐漸由東部向西部、由平原向山區(qū)發(fā)展趨勢。在高速、安全的前提下，隧道、隧道群建設的機率越來越大。隧道施工不僅取決于隧道本身斷面的特點，還和工程地質條件緊密相關。由于工程施工要求快速、工期短，安全施工，隧道開挖和施工對圍巖條件要求很高，尤其是掌子面的穩(wěn)定性。山區(qū)地質條件變化多端，在設計階段的地質勘察工作精度達不到很高，往往在隧道施工開挖過程中部分段落的地質條件變化給施工安全、工期、造價造成很大隱患。

超前地質預報技術在隧道施工中的應用，就是利用一定技術手段，一般以物理勘探和地質鉆探相結合，對隧道施工掌子面前方圍巖的完整情況和成災可能性作出預報和解釋，指導施工過程采取一定的措施或者改變施工技術方法，避免塌方、巖爆、涌水（泥）等地質災害的發(fā)生，給施工現(xiàn)場或后期隧道運營帶來安全隱患。

一、實例應用

1.工程概況

本項目屬于重慶至長沙高速公路上官橋至酉陽段，是西部開發(fā)省際公路通道重慶至長沙公路重慶境內(nèi)的一段，上酉段 G4標葡萄山隧道，本項目隧道左線起訖樁號ZK56+405～ZK59+995，隧道線長3.590km，設計隧道采用雙車道，隧道單洞建筑限界凈寬10.5m，凈高5.0m，設計車速80km/h，最大埋深909米。

1.1地形地貌

上官橋至酉陽段位于四川盆地東南部盆緣山區(qū)南側的青華山山脈一帶，山脈總體走向北北東-南南西向，與區(qū)內(nèi)構造線方向基本一致，青華山山脊高聳，東西坡坡麓及坡腳現(xiàn)露碳酸鹽巖類可溶巖，受構造影響溶蝕地貌較發(fā)育，形成有獨特的峰叢、洼地、溶蝕深谷等地形地貌景觀。區(qū)內(nèi)最高點位于青華山至香爐點一帶，高程達1635m，青華山東西兩側具溶蝕谷地特征，東側的龍?zhí)逗痈叱碳s300m，山脊至河谷相對高差1000～1500m。K56+400～K62+750段為青華山，山體渾厚，屬構造剝蝕—侵蝕中低山～中山地貌區(qū)，最高點癩子巖，海拔1635.3m，山麓及坡腳高程600～800m，相對高差約700～900m。

1.2區(qū)域地質

（1）地層巖性

線路至地層層位屬楊子準地臺區(qū)黔北川南分區(qū)——思南酉陽小區(qū)。出露及埋藏的地層主要為元古界震旦系下統(tǒng)南沱組～奧陶系下統(tǒng)大灣組一套碳酸鹽系和碎屑巖地層。第四系主要有殘積（Qe）、殘坡積（Qel+dl）、崩積（Qcol）、洪沖積層（Qql+pl）等多積類型，集中分布在沖溝、河谷、溶蝕洼地在及坡麓一帶，厚度一般2～7m，局部大于20m。

路線布設區(qū)從老到新主要出露為寒武系～ 三疊系下統(tǒng)大冶組的一套碳酸鹽類及碎屑巖類地層，沿線地表零星或帶狀分布有第四系沖洪積、參（崩）坡積合并水堆積等成因類型的松散堆積層。

（2）斷裂構造

線路區(qū)屬揚子準地臺上揚子臺坳渝東南陷褶束秀山穹褶束桐麻嶺背斜及其兩翼。區(qū)內(nèi)較大的有青華平移——張性斷裂帶和楠木樁平移——張性斷裂帶，均為北北東向。區(qū)內(nèi)的主要斷裂帶和此生構造在漫長的地質歷史中均經(jīng)歷了多次構造運動的改造，早期形成的構造特征均不顯著，普遍已面目全非。

（3）氣象、水文

① 路線位于四川盆地東部，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)氣候溫和，四季分明，雨量充沛，具有春雨、夏旱、秋綿、冬干的特點，12月～至次年2月最冷，一般氣溫-2～-1℃，最低氣溫-5℃，海拔800米以上山地在本段時間屬冰凍階段。多年平均氣溫17.7℃，最高氣溫44.1℃，最低氣溫-8.4℃，多年平均降水量1383.6㎜，且分布不均，多集中在5～8月，占全年降雨量的55.3%，據(jù)酉陽縣氣象局資料，2003年7月7日至2003年7月10日降水量為216.30㎜，屬大暴雨降水過程，這種大的降水過程在酉陽地區(qū)發(fā)生較為頻繁，多年平均濕度為78～80%，年平均風速1.3m/s，一般風力3～4級。

② 水系

區(qū)內(nèi)桐麻嶺—天上耶—青華山—銀嶺山脈構成東西水系分野，較大的水系，順山勢呈南北流向。西部南面的小溪溝多為斷頭河流，屬烏江水系，東部的溶溪河、龍?zhí)逗訉巽浣怠?/p>

區(qū)內(nèi)小溪溝均發(fā)育于青華山東西坡，呈格子狀分布，東部的溪流匯入溶溪河、龍?zhí)逗樱魅朊方鞑康南獪隙噢D入伏流直接匯入烏江。區(qū)內(nèi)主要季節(jié)性河流、溪溝分述如下：

龍?zhí)逗樱何挥跍y區(qū)北端東側，流向由北向南，屬沅江水系，發(fā)源于酉陽縣抱木鄉(xiāng)，流經(jīng)泔溪、麻旺、渤海鄉(xiāng)，于龍?zhí)舵?zhèn)苦竹公社流入妙泉河，匯入沅江的一級支流梅江，全長約60km，最大流量60m3/s，平均18.58 m3/s。

溶溪河：流經(jīng)線路K55～K59段，屬沅江水系。位于測區(qū)南端東側，流向由南向北，屬沅江水系。發(fā)源于秀山縣茅坡鄉(xiāng)，經(jīng)膏田、溶溪、井崗鄉(xiāng)，于龍?zhí)犊嘀窆鐓R入妙泉河進入梅江，全長約40km。枯季流量1 m3/s。

③ 地下水

沿線出露了一套古生界寒武系下統(tǒng)（∈1）至奧陶系下統(tǒng)(O1)的可溶性碳酸鹽巖類夾碎屑巖類。區(qū)內(nèi)巖體在漫長的地質歷史時期中經(jīng)歷了多次構造運動的破壞和改造，以致區(qū)域內(nèi)分布有碳酸鹽鹽類巖溶裂隙水、構造裂隙水、松散巖類空隙水等多種地下水類型。其中碳酸鹽巖類巖溶裂隙水分布最廣，對公路建設的影響最普遍，而其余類型往往具脈狀或島狀特征。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結合地質勘察報告結論，本次隧道施工過程中超前預測主要在ZK57+000～ZK59+995段，主要采用TRT技術和超前水平鉆孔相結合手段進行探測。

1.3TRT技術

TRT超前地質探測技術是地震波遇到聲學阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質。用來了解隧道工作面前方地質體的性質（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等），位置、形狀、大小。該隧道施工過程中在TRT探測過程中震源采用重錘單點激發(fā)產(chǎn)生信號，多點接收的方式進行。在隧道掌子面附近左、右兩側邊墻和左右拱腳布置震源點，在左右拱腰和左右拱腳選擇5個點作為接收點，接收點縱向布置間距為5 m（如圖1）。根據(jù) TRT探測成果圖（見圖2），推斷該段圍巖地質情況：ZK57+995處存在一條斷層，寬度約40cm，斷層周圍巖體較為破碎，且存在積水。ZK58+005-ZK58+015段巖土較松軟，推斷存在泥質層，對圍巖穩(wěn)定影響較大。

1.4超前水平地質鉆孔

超前水平地質鉆孔是利用水平鉆機在隧道掌子面進行水平地質鉆探，來獲取掌子面前方隧道圍巖的地質信息。在隧道超前預報技術中往往利用超前水平地質鉆孔來驗證其他探測推斷結論，用以指導下一步隧道施工，避免或減小施工中事故發(fā)生。根據(jù)TRT探測初步結論，ZK57+995處存在一條斷層，ZK58+005-ZK58+015段巖土較松軟，可能存在巖體破碎或者巖溶發(fā)育區(qū)域，故在隧道施工進行到ZK57+985的時候，采用超前水平地質鉆孔進行驗證。鉆孔直徑采用108mm，一米一循環(huán)，巖芯全部保留，計算采芯率和鉆探記錄。 鉆孔進行到ZK57+993處，鉆探進尺加快，采芯率很低約50%，且呈碎塊狀，巖石表面銹蝕嚴重，鉆探漿液變稀，巖芯顯示碎塊段落長度50cm，然后巖體較完整；當鉆至ZK58+006-ZK58+012段，進尺速度加快，且漿液變稠，發(fā)黃紅色，巖芯采芯率很低不足20%，且強度很低，遇水易軟化。

從以上兩種手段相互探測結果顯示推斷：ZK57+993- ZK57+993.5處存在斷層，斷距55cm，巖體破碎，且有聚水現(xiàn)象，根據(jù)鉆探后觀察，水量不大處于滴水狀態(tài)。ZK58+005.5-ZK58+012.5段為一泥質灰?guī)r層，層厚40cm，傾向隧道大里程方向，傾角35度左右，與實際勘察時候調(diào)查情況一直，沒有出現(xiàn)地層錯亂現(xiàn)象，排除填土巖溶存在的可能性。

二、開挖施工

根據(jù)超前預報結果項目部決定在ZK57+985-ZK58+000段不做超前防護直接開挖，根據(jù)實際開挖情況再考慮采取支護措施。當開挖至ZK57+993處拱頂部分位置有滲水，由于滲水作用的泥質灰?guī)r薄夾層部分脫落，斷層碎塊隨著開挖不斷有掉塊，塌方范圍為整個拱頂斷層破碎帶約30m3，拱頂及兩側掌子面松動掉落深度30-50cm。考慮到ZK58+005.5-ZK58+012.5段軟弱泥質灰?guī)r層的塌方會造成很大影響，所以在開進到ZK58+003時候采用小導管注漿施工工藝，提前將前方破碎、軟弱巖體進行加固預處理，開挖過程中很少有坍塌現(xiàn)象發(fā)生。

三、處理措施

根據(jù)地質超前預報和現(xiàn)場開挖情況，開挖巖石試驗結果。對ZK57+993- ZK57+993.5段和ZK58+005.5- ZK58+012.5段按照原設計Ⅳ級圍巖加強復合式襯砌方法。下階段類似情況將采用超前小導管（直徑42×4mm鋼管）預先處理，確保開挖過程中發(fā)生大面積坍塌；對超挖或者坍塌部分采用噴射混凝土填實，確保不出現(xiàn)初期支護外空洞現(xiàn)象，保證初期支護結構安全；開挖過程中嚴格控制進尺，采用短進尺、弱爆破方案，避免對周圍巖土擾動過大引起大面積坍塌。

四、結論

隧道施工前應搜集和調(diào)查現(xiàn)場巖體資料，認真分析勘察報告，了解地層地質條件和水文條件；

根據(jù)施工條件、巖體情況、地下水情況選擇經(jīng)濟、實用、快速的超前預報手段TRT結合超前水平地質鉆孔，定量與定性相結合保證預報的準確性。

結合超前地質預報結果指導施工過程安全開展，總結開挖經(jīng)驗采用類比法聯(lián)合指導下階段隧道施工。

本項目在靈活運用TRT結合超前水平地質鉆孔在該隧道施工過程中起到了舉足輕重的作用，在后期的隧道施工過程中沒有發(fā)生安全事故，成功的指導了施工。