超前地質預報在某水平層狀砂泥巖隧道中的應用

孫光吉 滿 君 劉平崗 閆常赫 蘇傳進 尤學文

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055;2.北京工建標圖書發行公司，北京 100055)

超前地質預報出現在20世紀的中后期，是工程地質學的一個分支。我國在這方面的研究始于20世紀70年代，近幾十年來也有了很快的發展[1-6］。超前地質預報是地面綜合勘探在施工階段、施工場地條件下的延續，旨在對足以引起地質災害不良地質體的位置、規模及危害程度做出分析判斷并預警，為規避施工風險，做好技術準備工作爭取充裕的時間。其中常見的地質災害有隧道內較大型的突水、突泥現象，不良地質體則有斷層、巖性接觸帶及具有一定規模的巖溶等。

水平層理砂泥巖是鐵路隧道中常見的圍巖，其顯著特征是圍巖產狀近水平，層理為其主要結構面。泥巖、砂巖、泥質砂巖干燥時，圍巖自身強度較好，遇水浸泡后易軟化，一捏即碎，泥質膠結遇水則失去黏結力[7-9］。這些特征決定了水平層狀砂泥巖隧道拱頂、拱肩等部位受節理及層理面切割成的塊體在重力作用下極易產生塊體失穩。因此，除了及時支護，還需加強超前地質預報，以探測砂泥巖厚度變化及所夾土層的位置變化。

結合某水平層狀砂泥巖隧道，詳細介紹相關超前地質預報的方法及應用流程等內容，并將探查數據的分析結果與現場開挖后的實際情況進行對比，最后對超前地質預報的應用進行分析與總結。

1 工程概況

該隧道區地層巖性主要為第四系上更新統砂質黃土和中更新統粉質黏土，基巖主要為二疊系上統石千峰組泥巖夾砂巖，下石盒子組砂巖夾泥巖和劉家溝組中細粒砂巖、粉砂巖，局部夾薄層同生礫巖及磚紅色泥巖。隧道走行在砂、泥巖地層，產狀平緩，存在平層問題。砂巖為相對透水層，泥巖為相對隔水層，地下水局部具承壓性，地層分界及斷層附近易產生突泥、突水;泥巖具弱膨脹性，耐風化性差，遇水易軟化。

地下水主要為基巖裂隙水。二疊系上統石千峰組的泥巖含量較多，阻水性較好，三疊系下統劉家溝組主要為砂巖，兩組垂直節理較發育且能形成貫通的水力通道。因此，在石千峰組和劉家溝組的接觸帶時常有泉出露，多為下降泉，且流量較大，勘察期間埋深大于50 m，地下水主要依靠大氣降水補給。

2 超前地質預報的應用

關于超前地質預報各種方法原理的介紹已有很多，此處不再贅述。本文僅就該隧道采用的幾種方法進行介紹和數據分析。該隧道主要采用的是長距離探測與短距離探測相結合，物探與鉆探相結合以及地面觀察與洞內探測結合的綜合探查方法，即先通過TSP203預測前方100～150 m范圍的地質變化，再應用超前水平鉆、超長炮孔對TSP203探測到的不良地質體進行確認，在此過程中不間斷地進行地質素描。素描頻率應根據該段落的地質條件作相應調整，高危段落每開挖循環需進行一次，一般地段每10～20 m進行一次，以便動態掌控圍巖地質條件。超前地質鉆孔，加長炮孔的位置、孔深、數量以及是否取芯等參數情況，應由地質人員根據TSP203預報成果，并結合工作面附近的地質情況綜合分析再確定。

2.1 TSP 203預報探測

(1)預報數據采集

測點位置:預報時工作面位于DK300+228里程處，在DK300+143里程處布置預報接收孔，接收孔距工作面85 m。

測線測點布置(見圖1):在隧道右側邊墻的同一水平線上，由外向里布置一個傳感器鉆孔和21個炮孔。傳感器鉆孔距第一個炮孔19 m，炮孔間距1.5 m，炮孔高度1.5 m，最后一個炮孔距工作面36 m。

圖1 側線測點布置(單位:m)

地震波激發:采用爆炸震源激發地震波，每炮約50 g乳化炸藥。

(2)資料分析

資料處理流程如圖2所示。

圖2 資料處理流程

預報原則:在地質解釋中，以P波(縱波)剖面資料為主對巖層進行劃分，結合S波(橫波)資料對地質現象進行解釋，并遵循以下原則[10，11］。

①正反射振幅表明硬巖層，負反射振幅表明軟巖層。

②若S波反射較P波強，則表明巖層飽含水。

③Vp/Vs(縱橫波速比)增加或δ(泊松比)突然增大，常常由于地下水的存在而引起。

④若Vp(縱波波速)下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

(3)TSP 203預報結論及建議措施

TSP203探測總體結果顯示為節理裂隙較發育，巖體較破碎，局部地下水較發育，圍巖穩定性較差。各段具體情況、結論和建議措施如下。

DK300+228～DK300+233(5 m):強—弱風化泥巖，節理裂隙較發育，巖體較破碎，泥巖易失穩，建議嚴格按照設計施工。

DK300+233～DK300+273(40 m):強—弱風化泥巖，節理裂隙發育，巖體破碎，地下水較發育，滲水，圍巖穩定性較差，易坍塌，建議該段再進行加深炮孔法地質預報探查，應注意防排水并及時支護。

DK300+273～DK300+320(47 m):強—弱風化泥巖夾砂巖，節理裂隙較發育，巖體較破碎，泥巖易失穩，建議及時支護。

如圖3所示，DK300+233～DK300+273(40 m)與前后兩段有明顯差異:

圖3 TSP隧道超前預報二維成果

①Vs(橫波波速)有微小變化，可忽略不計。

②Vp下降，說明裂隙密度增加，節理裂隙較發育。

③Vp/Vs或δ下降后，又陡然上升，說明可能有流體的存在。

鑒于以上推斷，該段地下水較發育，節理裂隙較發育，圍巖軟硬相間，容易失穩，初步確定為不良地質體，需要進行超前水平鉆探復核，同時提高地質素描頻率。

2.2 超前水平鉆復核

(1)鉆探方法

采用沖擊鉆，雖不取芯，但可通過沖積器的響聲、鉆速，以及巖粉、卡鉆情況、鉆桿震動情況、沖洗液的顏色及流量變化等因素，粗略探明巖性、巖石強度、巖體完整程度及地下水發育情況。

(2)技術要求

孔深:鉆孔深度應在鉆探過程中進行動態控制和管理，根據鉆孔情況可適時調整鉆孔深度，以達到預報的目的為原則;在需連續鉆探時，一般每循環可鉆30～60 m;連續預報時前后兩循環鉆孔應重疊5～8 m。

孔徑:鉆孔直徑應滿足鉆探取芯、取樣和孔內測試的要求，并應符合《鐵路工程地質鉆探規程》(TB10014－98)的相關規定。

孔位:可以根據地質預報的異常區域并結合施工條件進行布置。

(3)超前水平鉆探結果與分析

DK300+233～DK300+273(40 m)超前水平鉆分兩次進行。DK300+233～DK300+262分別于工作面取兩孔施做，1－1孔位于工作面拱頂，鉆孔部位為泥巖，鉆孔過程中有出水現象，滲水量為3～5 m3/h(見圖4)。1－2孔位于工作面中部，鉆孔部位為泥巖，鉆孔過程未見有水(見圖5)。DK300+257～DK300+286施做位置不變，1－1孔鉆孔過程中有出水現象，滲水量為3～5 m3/h，鉆孔部位巖體為砂巖夾泥巖。1－2孔鉆孔過程未見有水，巖體為砂巖夾泥巖。由此推斷，隨著開挖，滲水位置將上移至拱頂，可能影響隧道開挖支護。但隨著開挖繼續，巖性可能發生變化，有變為砂巖的可能。超前水平鉆的結果與TSP203的預測基本一致，基本能夠確定該不良地質體的段落。

2.3 開挖驗證結果

(1)DK300+228工作面開挖揭示為磚紅色泥巖，強風化，泥質較軟，厚—巨厚層構造，厚度大于0.5 m，產狀近水平狀，節理裂隙不發育，局部破碎。工作面表面干燥，底部有水滲出，圍巖自穩性較差，常有掉塊。DK300+228～DK300+232段圍巖基本與TSP203探測工作面一致(見圖6)。

圖6 DK300+228工作面圍巖

圖7 DK300+233工作面圍巖

(2)工作面開挖至DK300+235附近時，自DK300+230開始不斷出現邊墻開裂，粗略估計有十多條開裂，最寬處達十余厘米。現場采取不斷噴護的措施，并增加臨時套拱，以保證安全。

(3)自DK300+232開始，工作面的泥巖局部出現松散，工作面潮濕，不斷有泥巖小塊垮落(見圖7)。施工單位在初支后，及時噴護封閉工作面，并保留一部分“核心土”，有效控制了工作面的縱向位移[12］。

(4)自DK300+253附近開始，拱頂中部及右側出現滲水，水量約2 m3/h。

(5)DK300+274～DK300+292工作面變干燥，上半斷面中部泥巖上下部皆為砂巖，且泥巖不斷向下發展，上半斷面砂巖逐漸變厚(見圖8、圖9)。

圖8 DK300+274工作面圍巖

圖9 DK300+292工作面圍巖

(6)DK300+292～DK300+320上部為砂巖，拱腰以下為泥巖。砂巖層間結合差，拱頂常有掉塊。工作面中部右側砂泥巖結合處滲水，水量不大。

2.4 預報結論分析

該預報段范圍內，隧道圍巖主要是水平層狀砂泥巖，這就決定了影響其穩定的因素主要是水及拱頂至拱肩的巖性及層厚。結合超前地質預報結果，得出以下結論。

①DK300+228～DK300+233(5 m):現場開挖圍巖情況與超前地質預報結果一致，工作面主要為泥巖，在沒有水的情況下，圍巖相對穩定，施工安全基本能夠保證。

②DK300+233～DK300+273(40 m):超前地質預報顯示該段為高度風險段落，開挖后驗證了預報結果的準確性，且工作面自DK300+232附近出現潮濕。這是因為隨著工作面開挖，圍巖應力重分布，工作面圍巖的應力最低，前方圍巖內的地下水在高應力的作用下移動至工作面，這需要一些時間。對于工作面圍巖局部松散掉塊，甚至局部垮塌，超前地質預報已經預見到，現場提前加強了支護，沒有出現問題。隨著開挖進行，結合高頻率的地質素描，這些問題可以預見并能夠及時加以處理。

③DK300+273～DK300+320(47 m):現場開挖結果與超前地質預報結果基本一致，工作面為砂巖夾泥巖，節理裂隙較發育，局部滲水。但拱頂橫向砂巖層間結合差是沒有預測到的，這需要現場不斷提高地質素描質量來實現。在開挖的同時，可在隧道拱部采用鉆機打設3～5個徑向鉆孔，以探知巖層層理分布及厚度，據此預測前方拱部圍巖分布情況，發現巖石覆蓋層厚度減小等異常，應及時調整施工方案及支護措施，確保施工安全，這是對超前地質預報的有效補充。

3 結論

(1)在熟悉設計地質資料的基礎上，不同的圍巖性質應選用不同的超前地質預報方法，如該水平砂泥巖層，雖然水量不大，但水的浸泡仍是砂泥巖軟化失穩的最主要因素，所以水的預報乃重中之重。

(2)鑒于水平砂泥巖層的特殊性，在預報確定圍巖巖性后，應加強其拱頂、拱肩支護，防止掉塊乃至大的變形。

(3)TSP203等在含水構造的預報上僅從定性上有較高的準確率，但對含水構造的定量預報仍不夠精確，且出水里程段落與現場可能有出入，這與隧道開挖改變了地下水的徑流模式有很大關系;原先的地下水排泄渠道發生改變，地下水在水頭差下由前方或者頂部轉移至隧道工作面。

(4)超前地質預報長、中距離探測對工作面前方圍巖巖性，完整性的判別精確度很高，但現場施工中必須跟進地質素描，以便隨時掌控地質情況及圍巖變化，并充分考慮地下水可能造成的影響。

(5)TSP203、超前水平鉆對工作面前方橫向結構面(尤其水平砂泥巖的層理面)的探測不夠精確，必要時，可于拱部施做徑向鉆孔，以探測拱頂巖層層理及厚度，以便及時調整支護措施，確保施工安全。

(6)超前地質預報是多種預測手段的綜合系統，要保證預報的精確性，必須堅持多種方法相結合的原則，才能減少漏報、誤報，最大程度地規避施工風險，確保施工安全。

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