超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在鋪?zhàn)由剿淼朗┕ぶ械膽?yīng)用

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

伴隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，隧道施工技術(shù)有了飛速的發(fā)展，隧道工程數(shù)量越來越多，隧道工程施工速度越來越快，施工難度也越來越大。然而，由于對(duì)工作面前方地質(zhì)情況了解不清，給隧道施工帶來很大的盲目性和危險(xiǎn)性。施工中經(jīng)常出現(xiàn)始料不及的塌方、冒頂、涌水等事故[1]。事故一旦發(fā)生，輕則影響施工，增加工程投資，重則造成人員傷亡；而且事故發(fā)生后的處理工作難度很大。因此，隧道施工中常碰到的由不良地質(zhì)現(xiàn)象造成的隧道塌方、冒頂、涌水等問題已成為日益關(guān)注的問題[2-3]。為減少這些問題的發(fā)生，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)運(yùn)而生。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是指對(duì)隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，其中主要是不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置、產(chǎn)狀、規(guī)模等，進(jìn)行探測、分析解譯和預(yù)報(bào)。其方法主要有：地質(zhì)調(diào)查法、水文地質(zhì)觀測、超前鉆探法、物探法等。實(shí)踐證明超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具有很好的預(yù)警性，基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果提出的安全措施能極大地降低施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)[4]。

1　工程概況及地質(zhì)條件

1.1　工程概況

鋪?zhàn)由剿淼朗巧轿髦心喜胯F路通道的一座高風(fēng)險(xiǎn)隧道，位于山東省臨沂市莒南縣省級(jí)自然保護(hù)區(qū)三皇山古墓南面，隧道穿越三皇山山脈,全長6 671 m。全隧設(shè)1座斜井，長319 m。

1.2　隧道區(qū)地質(zhì)條件

(1)隧道區(qū)地層巖性

隧道洞身主要穿越燕山晚期角閃石英二長巖、晉寧期云山二長花崗巖，進(jìn)口段主要為白堊系安山質(zhì)角礫凝灰?guī)r。

(2)隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

隧道通過沂沭大斷裂的瓦店-銓圓斷裂(F4)，該斷裂近正交通過(交角約80°)線路，屬新華夏系斷裂，在白堊系之前發(fā)生，燕山期巖漿巖侵入將其覆蓋，走向北北東向，長約100多km。

據(jù)物探揭示，DK1234+500～DK1234+800段為物探低速異常區(qū)，推測該處為瓦店—銓圓斷裂交匯處。據(jù)鉆探揭露，破碎帶寬約12 m，成分為二長巖，角礫大小不一，直徑0.2～12 cm，最大30 cm，礫面光滑，具鏡面，次棱角，鐵鎂綠泥質(zhì)膠結(jié)。該段為壓扭性斷裂，推測斷層產(chǎn)狀305°∠73°。

(3)隧道區(qū)埋深

DK1234+390～DK1235+690段洞身位于淺埋段，埋深18.5～31.5 m。其中，DK1234+500～DK1234+600段有地表水，地下水位高于隧道洞身，施工中易產(chǎn)生冒頂?shù)裙こ痰刭|(zhì)問題。

1.3　環(huán)境影響

DK1234+300～DK1235+700段上方為村莊，且埋深較淺，施工中應(yīng)防止因大量抽取地下水引發(fā)水井干枯、房屋開裂，以及地表溪水涌入洞內(nèi)等環(huán)境地質(zhì)問題。

2　超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

該隧道區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，有較長段位于淺埋段，并且淺埋段上方有溪流通過，隧道區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜。利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)隧道前方的地質(zhì)條件進(jìn)行解譯分析，進(jìn)而對(duì)隧道的施工提出合理的建議及措施。本項(xiàng)工作主要采用了地質(zhì)調(diào)查法、水文地質(zhì)觀測及物探法(主要是地震反射波法)進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。其內(nèi)容包括：斷層構(gòu)造及斷層破碎帶、節(jié)理、裂隙較發(fā)育帶、侵入接觸帶、軟弱帶位置、大小、規(guī)模及富水等情況；可能引發(fā)隧道塌方、冒頂?shù)木唧w段落；地下水賦存狀態(tài)及可能突水、涌水的位置[5]。

2.1　地質(zhì)調(diào)查法與水文地質(zhì)觀測

(1)地質(zhì)調(diào)查法

①隧道地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查。

②工作面與側(cè)壁的量測和地質(zhì)素描，主要包括巖體內(nèi)的節(jié)理、裂隙、斷層、巖脈等，通過全程對(duì)工作面上進(jìn)行地質(zhì)素描，采用地質(zhì)編錄預(yù)測法(圖解法、類比法、斷層參數(shù)法等)。

(2)水文地質(zhì)觀測

①洞內(nèi)涌水點(diǎn)調(diào)查：層位、構(gòu)造部位、洞圍分布、含水體分布、時(shí)效關(guān)系、制約因素、補(bǔ)給來源、途徑、連通關(guān)系等。

②涌水量預(yù)測：實(shí)測(反映瞬時(shí)特征和短期變化特征)、長期觀測(反映長期變化特征和動(dòng)態(tài)特征)，水質(zhì)分析和水壓測試(水化學(xué)組分，壓力、溫度、色度、含泥沙量測定)，危害評(píng)估。

③洞外水文地質(zhì)調(diào)查：排泄點(diǎn)(徑流點(diǎn))長期觀測，水文地質(zhì)及環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查(同位素、示蹤、水質(zhì)分析)，地表塌方變形調(diào)查等。

2.2　地震反射波法工作原理及解譯預(yù)報(bào)原則

(1)地震反射波法工作原理

地震反射波法(TSP203探測)是基于隧道圍巖的彈性差異，根據(jù)地震波的反射波原理，獲取不良地質(zhì)體的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)和位置、規(guī)模等幾何參數(shù)的一種探測方法[6，7](圖1)。其方法為人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微地震波，地震波在圍巖中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到圍巖物性界面(如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。由3分量地震波檢波器在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控下采集這些震源所發(fā)出地震波沿隧道前方及四周區(qū)域傳播而遭遇不良地質(zhì)體(如地層層面、節(jié)理面、巖溶面，特別是斷層破碎帶界面等)被反射返回的地震波數(shù)據(jù)[8]。這些反射波信號(hào)的傳播速度、波形、頻率、強(qiáng)度和方向等特征與相應(yīng)不良地質(zhì)體的性質(zhì)和分布狀況緊密相關(guān)，通過分析反射波信號(hào)的上述特征，處理提取工作面前方圍巖的波速、泊松比、反射系數(shù)及其變化情況，從而預(yù)測前方不良地質(zhì)體的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)和位置、規(guī)模等幾何參數(shù)[9，10]。

圖1　地震反射波法原理

(2)解譯預(yù)報(bào)原則

在成果解釋中，以P波剖面資料為主對(duì)巖層進(jìn)行劃分，結(jié)合橫波資料對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，并遵循以下原則：正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層；若S波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水；Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于地下水的存在而引起；若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加[11]。

3　工程應(yīng)用

選取鋪?zhàn)由剿淼繢K1234+660～DK1234+764段為研究對(duì)象，該段設(shè)計(jì)為強(qiáng)—弱風(fēng)化角閃石英二長巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水較發(fā)育，采用Ⅳ級(jí)抗水壓錨段襯砌。針對(duì)該段的地質(zhì)條件特點(diǎn)，采用了地震反射波法、地質(zhì)調(diào)查法及水文地質(zhì)觀測法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3.1　地震反射波法(TSP203預(yù)報(bào))

通過隧道內(nèi)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的采集及對(duì)二維結(jié)果圖(圖2)的分析，隧道工作面前方預(yù)報(bào)范圍內(nèi)圍巖條件預(yù)報(bào)如下：

①DK1234+660～DK1234+722圍巖為強(qiáng)—弱風(fēng)化角閃石英二長巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水較發(fā)育，滲滴水，局部股狀出水(有多組反射界面，縱、橫波速度降低，局部泊松比增大)，圍巖穩(wěn)定性差，易塌方，局部可能涌水。

圖2　TSP隧道超前預(yù)報(bào)二維成果

②DK1234+722～DK1234+764圍巖為燕山晚期強(qiáng)—弱風(fēng)化角閃石英二長巖，F(xiàn)4斷層影響帶，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，地下水較發(fā)育，滲滴水，局部線狀出水。

3.2　地質(zhì)調(diào)查及水文地質(zhì)觀測

現(xiàn)場開挖揭示，DK1234+670處巖性為石英二長巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，寬張節(jié)理，無充填，發(fā)育3組節(jié)理，間距3～4條/m，結(jié)構(gòu)面粗糙，延伸4 m左右，該段埋深20～21 m，工作面中間及拱部圍巖較破碎，局部呈強(qiáng)風(fēng)化，強(qiáng)度較低，圍巖整體完整性及穩(wěn)定性較差。拱部及工作面出現(xiàn)股狀出水現(xiàn)象，水質(zhì)清澈，據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，涌水量為75 m3/h，據(jù)地表調(diào)查及洞內(nèi)觀察，總體水量逐漸減小，主要為基巖裂隙水，受大氣降雨補(bǔ)給。

3.3　基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的施工建議

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)DK1234+690～DK1234+700及DK1234+712～DK1234+722段進(jìn)行加長炮孔法地質(zhì)預(yù)報(bào)，同時(shí)加密地質(zhì)素描，密切關(guān)注炮孔鉆進(jìn)情況，根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，及時(shí)支護(hù)，注意防排水。

對(duì)于涌水段立即實(shí)施全斷面徑向注漿堵水，原設(shè)計(jì)格柵鋼架間距1.2 m改為0.8 m。

施工期間做好降雨量與涌水量的監(jiān)測工作。

施工期間做好地表調(diào)查工作，主要是在徑向注漿期間，調(diào)查施工是否對(duì)地表構(gòu)筑物、農(nóng)田、鄉(xiāng)村道路產(chǎn)生影響，避免涌水及注漿材料污染附近水源。

3.4　現(xiàn)場開挖實(shí)際情況

(1)現(xiàn)場開挖揭示，DK1234+665～DK1234+726段巖性為強(qiáng)—弱風(fēng)化角閃石英二長巖，由于瓦店—銓圓斷裂帶影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，寬張節(jié)理，局部泥質(zhì)充填，發(fā)育3～4組節(jié)理，間距4～5條/m，結(jié)構(gòu)面粗糙，延伸3～5 m。工作面中間及拱部圍巖較破碎，圍巖整體完整性及穩(wěn)定性較差。該段拱部及工作面出現(xiàn)股狀出水現(xiàn)象，水質(zhì)清澈。據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，正常涌水量為31 m3/h，最大涌水量高達(dá)92 m3/h。

(2)DK1234+726～DK1234+764段巖性為燕山晚期強(qiáng)—弱風(fēng)化角閃石英二長巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部巖體較破碎，地下水較發(fā)育，滲滴水，局部線狀出水。局部圍巖穩(wěn)定性較差。

由實(shí)際開挖結(jié)果可知，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測的前方圍巖情況與實(shí)際開挖情況吻合較好。表明超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具有很好的預(yù)警作用。

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