超前地質綜合預報技術在基巖裂隙水隧道中的應用

王 俊

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055）

超前地質綜合預報技術在基巖裂隙水隧道中的應用

王 俊

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055）

超前地質預報是高風險隧道施工過程中不可或缺的一項工作,對確保施工生產安全起著至關重要的指導作用。在總結前人工作的基礎上,提出一種綜合預報技術方法,并以中國某重載鐵路基巖裂隙水隧道為實例,詳細闡述了該方法在隧道涌水預測方面的應用,初步探討綜合預報技術的可行性及今后隧道超前地質預報工作的發展方向。

隧道 超前地質預報 綜合預報

隨著我國鐵路建設事業的發展,隧道施工安全問題越來越受到社會各界的關注。隧道施工過程中經常出現的突水、突泥、坍塌、瓦斯燃燒等事故不僅可能直接或間接導致人員傷亡,還會給現場作業帶來極大麻煩與挑戰。據不完全統計,因水文、地質問題而造成的現場停工時間約占施工總工期的1/3～1/4[1]。為有效規避施工安全風險和最大程度的減輕地質災害損失,超前地質預報研究工作具有十分重要的現實意義。

自鐵建設〔2010〕120號文件要求將高風險軟弱圍巖及不良地質隧道超前地質預報責任主體劃歸為設計單位后,隧道超前地質預報工作已引起各設計院的高度重視。

1 超前地質預報工作簡介及綜合預報技術

1.1 超前地質預報工作內容

隧道深埋地下,工程地質和水文地質條件復雜、多變,期望在勘測設計階段完全查明隧道工程的巖體構造、狀態、特性,特別是不良地質體的確切位置、規模等是十分困難的[2]。隧道超前地質預報正是因為其能對開挖工作面前方的地質情況作出判斷與預測,從而成為指導隧道安全施工不可或缺的一項工作。一般情況下,隧道超前地質預報工作的主體內容包括以下四個方面[3]：

①地層巖性預測預報,特別是對軟弱夾層、破碎地層的預測預報。

②地質構造預測預報,特別是對斷層、節理密集帶、褶皺軸等影響巖體完整性構造發育情況的預測預報。

③不良地質預測預報,特別是對巖溶、人為坑洞、瓦斯等發育情況的預測預報。

④地下水預測預報,特別是對巖溶管道水及富水斷層、富水褶皺軸、富水地層中的裂隙水等發育情況的預測預報。

1.2 超前地質預報工作進展

縱觀我國隧道超前地質預報工作的進展,主要歷經下面幾個階段：①起步階段。20世紀50年代至80年代,主要采用超前地質導坑、水平超前鉆探等簡單實用的方法進行預測預報,此類方法預報距離短且大量占用施工時間。②摸索階段。20世紀80年代至90年代,國內超前地質預報工作除在超前鉆探現場作業方面做過大量改進研究外,還將物探技術成功應用（設備依靠國外引進與自主研發）,并逐步建立和完善物探預報理論體系。③應用成熟階段。進入21世紀后,TSP202和TSP203、地質雷達和陸地聲納等設備已廣泛應用于各施工隧道超前地質預報工作中[4]。針對預報存在的重大誤差問題,其原因也在積極探索之中。

1.3 綜合預報技術的提出

當今采用的超前地質預報方法主要包括地質調查法、超前鉆探法、物探法和超前導坑預報法。從各類物探設備的應用情況來看,單一預報方法其預報準確度并非十分可靠,不同預報方法對不同地質缺陷的預報效果也不盡相同,目前還沒有哪種設備能對各種地質缺陷做出準確預報[5]。

由此可見,為了提高預報準確性,有必要展開綜合預報技術研究,本文結合某高風險隧道超前地質預報工作實例,提出一種“長距離預報與中短距離預報相結合、物探預報與地質預報相結合、微觀與宏觀相結合”的綜合預報方法。

2 綜合預報技術的應用實例及其效果檢驗

中國某重載鐵路隧道位于震旦系下統串嶺溝組（Z1ch）砂巖、石英砂巖地層中,基巖裂隙水較為發育。該隧道在開挖過程中,地下水沿基巖裂隙向坑洞內滲出,局部水體呈線狀或股狀,隧道涌水給現場施工帶來極大麻煩。為確保隧道施工的安全和質量,超前地質預報工作在采用TSP（Tunnel Seismic prediction）反射地震預報方法進行長距離預報的同時,選擇HW-304紅外探測儀對工作面前方30m范圍內可能存在的隱伏含水體實施方位探測,并結合宏觀水文地質條件總結與微觀現場工作面及邊墻出水情況觀測,最終根據上述多方面分析結果,針對工作面前方掘進施工做出合理化結論與規范化建議。

TSP探測結果見圖1。

TSP探測結論見表1。

表1 TSP探測結論內容

圖1 TSP在DK790+518工作面的探測結果

紅外探水探測結果見圖2與圖3。紅外探水結論見表2。

圖2 紅外探水在DK790+518工作面的探測結果

圖3 紅外探水在隧道走向上的探測結果

表2 紅外探水結論

DK790+518工作面地質素描情況：震旦系串嶺溝組紫紅色砂巖、石英砂巖,中厚層狀,層厚20～30cm,局部夾薄層泥巖,巖體較完整；砂巖巖層產狀：265°∠4°,主要發育兩組節理,節理面產狀分別為160°∠85°和60°∠69°,節理間距分別為1.5～2.5m和1～1.5m,均為密閉型,延伸長度0.5～1m。

從現場工作面及邊墻出水情況來看,在DK790+ 518處地下水主要以漫流或散流的形式沿基巖裂隙涌出,局部地段地下水體呈線狀（未見股狀水體）。從洞身所處的水文地質條件來看,隧道穿越含水地層以震旦系串嶺溝組砂巖基巖裂隙水含水層為主,裂隙的張開度及連通性一般,隧道涌水主要來源于含水層中的靜儲量。結合TSP與紅外探水探測結果可以判斷,隧道涌水可能會隨著工作面的掘進而發生增大現象,這種增大現象在DK790+450～DK790+382段的表現可能最為明顯,而后到了DK790+382～DK790+370段可能又會恢復正常。作出綜合預報結論如下：

①DK790+518～DK790+450段。應嚴格按照施工圖進行開挖施工,及時做好相應支護,注意防排水,并做好中短距離的預報工作,以規避安全風險。

②DK790+450～DK790+382段。應采取超前水平鉆進行減排水,加密地質素描,做好防排水預案,及時有效采取措施,以規避安全風險,特別是大的涌水。

③DK790+382～DK790+370段。應做好中短距離的預報工作,以規避安全風險。

為有效規避安全生產風險,對DK790+520～DK790+450段及DK790+385～DK790+370段采用加長炮孔進行突水突泥情況超前探測,對DK790+455～DK790+382段采用超前水平鉆探進行集中減排水以保證正常施工。

上述即為綜合預報技術應用于基巖裂隙水情況隧道超前地質預報的一個實例。值得注意的是,在工作面里程逼近DK790+450時,應根據現場涌水觀測情況考慮是否再次布置紅外探水探測工作,并依此修改和完善預報結論,將物探預報與地質預報緊密結合,環環相扣。同樣,在工作面里程逼近DK790+382時也是如此。

表3為DK790+455～DK790+382段超前水平鉆探施做情況,鉆探設備采用無錫市雙帆（金帆）鉆鑿設備有限公司產品YG-5 0系工程鉆機。

表3 DK790+455～DK790+382段超前水平鉆探揭露地質情況

從水平鉆探施做結果可以看出,綜合預報結論在分段上比較準確地預測了前方的涌水情況,并依據不同涌水情況提出了切實可行的抽排水措施建議,起到了保障現場安全施工的作用。

3 結論與建議

隧道涌水,一直以來都是鐵路建設的熱點話題,它可能誘發突水、突泥、坍塌等重大地質災害問題,威脅建設人員生命安全。在可能出現涌水事故的隧道施工過程中,較準確地預測工作面前方涌水情況并提供可靠的抽排水應對措施與建議,是安全生產作業的有力前提。通過“長距離預報與中短距離預報相結合、物探預報與地質預報相結合、微觀與宏觀相結合”綜合預報手段在中國某重載鐵路隧道超前地質預報工作中的成功應用,得出下列結論和建議：（1）綜合預報技術在隧道涌水的預測方面是可行的；（2）物探成果須與現場地質情況緊密結合,二者相輔相成,互為佐證；（3）發揮物探作業優勢,在宏觀總結隧址地質、水文地質條件與微觀現場地質情況確認的基礎上開展超前地質預報工作,會成為今后的發展方向。

[1] 王夢恕.對巖溶地區隧道施工水文地質超前預報的意見[J].鐵道勘察,2004（1）：7-9

[2] 李術才,李樹忱,張慶松,等.巖溶裂隙水與不良地質情況超前預報研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26（2）：21 7-225

[3] 齊傳生,周振國,楊世武,等.鐵路隧道超前地質預報技術指南[M].北京：中國鐵道出版社,2008

[4] 肖書安,吳世林.復雜地質條件下的隧道地質超前探測技術[J].工程物理學報,2004,1（2）：159-165

[5] 李術才,劉斌,李樹忱.基于激發極化法的隧道含水地質構造超前探測研究[J].巖石力學與工程學報,201 1,3 0（7）：1 297-1309

App lication of Advanced Geological Fforecast Technology in Bed Rock Ccrevice Water Tunnel

WANG Jun

U455

B

1672-7479（2012）03-0044-03

2012-04-09

王 俊（1986—）,男,助理工程師。