淺談牡綏鐵路隧道地質超前預測及預報施工

謝斌

摘 要：本文結合牡綏鐵路三座長大隧道的具體施工實踐，就長大鐵路隧道地質超前預測及預報施工進行了闡要闡述。

關鍵詞：長大鐵路隧道；地質預測預報；技術控制

牡丹江至綏芬河擴能改造工程施工Ⅳ標段起訖里程為濱綏線DK450+500～DK470+250及濱綏線DK491+434～DK499+100，線路長度約27.416km，位于黑龍江省穆棱市，東寧縣、綏芬河市境內。第四標段主要工程內容包括：隧道19.815km，占正線長度的72.3%，其中紅房子隧道6437m，雙豐隧道7224m，綏陽隧道6161m；本文就隧道地質超前預測及預報施工進行簡要闡述。

組建地質超前預報專業小組，進行超前地質探測預報，制定不良地質條件下的施工預案。以常規地質綜合分析法為基礎，TSP203地質超前探測預報系統做長距離宏觀控制，地質雷達做近距離判斷，紅外線探水儀做連續地下水探測，通過水平鉆孔等，形成綜合地質超前預報系統。

1 工程地質預測法

工程地質預測法是工程地質技術人員根據設計地質圖紙、現場地質紀錄，運用工程經驗和地質知識進行分析、預報地質的一種方法。此法的關鍵在于工程地質工程師的經驗豐富和現場詳細的地質紀錄和物探資料。

施工前預報：根據設計給出的隧道地質條件說明資料，認真分析隧道的地質斷面圖、平面圖，掌握隧道的地質特點和水文特點。進行長距離宏觀預報各段隧道可能出現的不良地質情況。

施工常規地質法預報：主要完成開挖面的地質素描，地質展開圖，并利用TSP203預報資料、雷達檢測資料、紅外線探水資料、超前鉆孔資料進行地質分析預報，是綜合地質預報的中樞。

綜合超前地質預報系統：施工準備→制定預報方案→地質分析→地質綜合判斷→施工建議→施工方案選擇→隧道施工→地質素描→下循環預報

施工階段地質資料記錄：首先對已開挖地段進行地質調查，調查的主要依據為隧道開挖面地質素描、巖石結構面調查和涌水觀測記錄。

開挖面地質素描內容有：巖性、地質年代、巖層產狀、軟弱夾層、巖脈穿插情況；斷層及破碎帶的形態、產狀、寬度、填充物特征；主要節理裂隙的形態、產狀、規模及相互切割關系。圍巖巖體結構類型、完整性、圍巖的物理力學性能。

巖石結構面調查內容有：圍巖的巖石結構產狀、物理力學屬性、節理的延伸性、粗糙起伏情況、張開程度。地下水出露情況、水量大小等；地下水的分布形態、大小、位置走向等；圍巖節理內含水情況。

地質素描采用圖表形式形象紀錄。

施工階段前推法預測：根據開挖面地質素描、巖石結構面調查記錄采用前推法預測前方地質情況，首先按1∶100的比例作出開挖面前方一定長度的展開圖，逐一將開挖面地質素描和巖石結構面的記錄資料，按其產狀、節理軌跡線繪制到展示圖上，最后按其節理走向和軌跡延伸，結合TSP203的預報成果、地質雷達預報成果和超前鉆孔的鉆芯地質資料畫出前方地質情況。地下水地質預測：現場技術人員根據以往施工經驗對地下水做出經驗性預報。

當隧道由弱可溶巖進入強可溶巖的邊界部位時，可能發生涌水；突水點的涌水特征：一般有滲、滴水段→線狀滲水段→集中涌水段→高壓噴水段；當隧洞由滲、滴水段進入線狀滲水段時，作好出現集中涌水的準備，進行超前預報的施工防治能取得較好效果；鉆孔內出現渾水、噴水、地溫測值變化較大，前方可能有涌水。掌子面附近出現鐵錳質富集或泥質充填的裂隙，則表明前方有涌水的可能。

2 TSP203超前地質預報系統

TSP203系統在圍巖較好地段可測出前方100～200m范圍內的巖層分界面、巖層的物理性質、斷層等，圍巖完整性較差時，預測范圍在50～100m之間。

TSP203作業流程：準備工作→測量孔位、鉆孔→埋設傳感器→記錄孔位→連線檢查→暫停施工→爆破拾波→恢復施工、成果分析。

鉆孔：在距離工作面50米處鉆深度為1.5m的孔，布置傳感器；自工作面起，每隔1.5m鉆孔一個，鉆孔深度為1.5m，最后一個孔與傳感器的距離大于20m。所有鉆孔的高度盡可能的在同一標高線上。鉆孔位置如圖“TSP203系統作業布置示意圖”所示。鉆孔完畢后，逐個測量孔的深度和傾斜度，并作好紀錄。

埋設傳感器桿：埋設傳感器前，先清孔，清除孔底虛渣，放入環氧樹脂藥卷，插入傳感器套桿，用鉆帶動其鉆動，保證環氧樹脂藥卷充分攪拌。待傳感器桿固定后，插入傳感器，傳感器方向朝向掌子面。

連線檢查：把傳感器、檢波器（電腦）、起爆器、同步器連接起來，并檢查其是否正常工作，此時起爆器與雷管斷開。

測量時間：測量時間選在施工交接班時間，要求工作面800米范圍內停止機械作業和作業人員作業，作業前與現場施工員聯系，以確定停工時間，此時準備好爆破藥卷、電雷管等。

裝藥爆破：由最里邊炮孔開始，逐個依次裝藥聯線，起爆器起爆，裝藥量根據圍巖情況，一般控制在50～80g左右，圍巖較差時，可加大，但不能超過100g。

恢復施工：爆破一結束，馬上可以恢復施工，一般停工時間在45min左右。

成果分析：采用TSP203自帶的軟件分析系統，剔除一些明顯的干擾波，軟件自動分析，自動生成圖表，反映前方圍巖的物理特性，巖層分界線、軟弱帶、斷層的位置等信息。

在本標段施工中，TSP203系統按每50～100m段進行預測。

3 紅外線探水

紅外線探水儀可預測掌子面前方20～30米范圍內的地下水情況。

操作方法：進入探測地段時，首先沿隧道一個壁，以5米點距用粉筆或油漆標好探測順序號，一直標到終點，或者標到掘進面處。

在掘進面處，首先對斷面前方探測，在返回的路徑上，每遇到一個順序號，在隧道中央，分別用儀器的激光器打出紅色光斑，使之落在左壁中線位置、頂部中線位置、右壁中線位置、底板中線位置，分別讀取探測值，并作好紀錄。然后轉入下一序號點，直至全部探完。

把探測數據輸入計算機后，由專用軟件繪成頂板探測曲線、底板探測曲線、兩壁探測曲線。根據探測曲線可以很明了的預報出前方地下水的情況。紅外線探水儀從探測到得出分析結果非常快，且探測儀器輕便，方法簡單。在本標段施工中每20米采用紅外線探水儀探測一次，在通過富水區斷層破碎帶時，適當加密探測頻次。

4 地質雷達

當TSP203系統預報前方有斷層、巖層破碎等不良地質時，其規模、形態需要具體了解，可用地質雷達實施探測。

本標段在地下水發育地段，對隧道周壁采用地質雷達探測，預報隧道周圍地質形態。地質雷達實施探測前，在平板車上搭設檢測平臺，雷達儀置于車體或平臺上，由平臺上的操作手將雷達天線觸板與所測點接觸，利用超聲波在不同圍巖介質中具有不同傳播速率的原理，通過雷達接受儀接受反射波的時間差，據以分析所測部位的地質形態。同時采用地質雷達進行襯砌厚度的識別。

5 超前鉆孔探測

當TSP203系統預報前方有斷層、破碎帶、巖層層理明顯時，采用地質鉆機進行超前探孔。

用鑿巖臺架鉆孔探測鉆孔深度以30m為限，30m以內出現異常情況時，按預定方案實施，鉆孔出水，安裝壓力表及水表，測定地下水的壓力和流量。

30m以內無異常情況時，改用ZYG-150鉆機探測，繼續鉆孔，深度為100m，無異常情況，按正常程序施工，出現異常按預案實施并測定水壓和水量。100m以后的探測則由下一循環鉆孔探測完成。

日常的鉆孔探測：在每次鉆孔過程中，指定在拱頂、兩側拱腰、兩側邊墻腳及仰拱底部附近的1～2個輔助眼加深1～5m，依靠對鉆孔速度變化的直覺，判斷前方圍巖的變化。

6 結語

經過對以上關鍵環節進行了嚴格的技術控制，牡綏鐵路紅房子、雙豐和綏陽隧道三座長大隧道的地質超前預測及預報施工合格率100%，為隧道安全高效施工奠定了堅實基礎。