綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在林家屋基隧道施工中的應(yīng)用

許亞軍

（中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津300133）

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在林家屋基隧道施工中的應(yīng)用

許亞軍*

（中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津300133）

在高風(fēng)險(xiǎn)隧道的施工過程中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是保證隧道施工安全的重要環(huán)節(jié)和技術(shù)手段。當(dāng)前，國內(nèi)外超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中均還存在很多難題。結(jié)合林家屋基隧道的施工，詳細(xì)介紹了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的主要內(nèi)容及其在林家屋基隧道施工中的應(yīng)用情況，望能夠?yàn)閺V大同行提供有價(jià)值的借鑒。

高風(fēng)險(xiǎn)隧道；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，公路、鐵路等交通設(shè)施的建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，其中所涉及到的隧道的長度和埋深都加大了，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，施工的工況越來越惡劣。特別是在我國的西南地區(qū)，由于以巖溶地貌為主，在隧道的施工中經(jīng)常會(huì)遇到突泥、突水及巖溶塌方等地質(zhì)災(zāi)害，常常會(huì)造成工期的延誤，更有甚者會(huì)造成重大的設(shè)備損失和人員傷亡。因此，為了保障隧道安全快速的施工，有效降低施工過程中地質(zhì)災(zāi)害的影響，準(zhǔn)確快速地進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就成為了隧道施工的必然要求。

在以往的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，一般是采用單一的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，預(yù)報(bào)隧道工作面前方的地質(zhì)信息。然而，人們通過長期大量的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，僅僅依靠單一預(yù)報(bào)方法提供的信息是非常有限的。特別是在高風(fēng)險(xiǎn)隧道中，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，單一方法不能提供全面的預(yù)報(bào)信息，可能造成地質(zhì)災(zāi)害的漏報(bào)和誤報(bào)。為了解決單一方法預(yù)報(bào)不全面的問題，根據(jù)預(yù)報(bào)對象的地質(zhì)特點(diǎn)，采用2種或2種以上有效的預(yù)報(bào)手段進(jìn)行預(yù)報(bào)，結(jié)論相互印證，提供更為全面的地質(zhì)預(yù)報(bào)信息，這就是綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

1　林家屋基隧道概況

林家屋基隧道位于貴州省盤縣境內(nèi)，是滬昆高鐵的重點(diǎn)工程之一。隧道起訖里程為DK925+ 435～DK931+365，全長5930m。隧址區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)位于隧道北側(cè)的山頂，海拔高程1780m，最低點(diǎn)位于隧道東側(cè)的溝谷，海拔高程1280m，相對高差500m。隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，集瓦斯、巖溶、斷層破碎帶、軟弱圍巖、危巖、落石于一體，屬高風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道洞身穿越多條斷層、節(jié)理密集帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶，施工中容易出現(xiàn)坍塌、涌水、突泥等安全風(fēng)險(xiǎn)，隧道涌水量大（預(yù)計(jì)隧道正常涌水量為18062m3/d，雨季最大涌水量為39239m3/d）；隧道進(jìn)口至DK925+930處洞身通過龍?zhí)督M煤系地層，經(jīng)測試，瓦斯壓力最高處達(dá)0.75MPa，為瓦斯突出區(qū)段，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。

2　林家屋基隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)施工組織

遵循超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基本原則，針對林家屋基隧道地質(zhì)復(fù)雜程度高、地質(zhì)災(zāi)害類型多的現(xiàn)狀，并結(jié)合現(xiàn)有各超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段的優(yōu)缺點(diǎn)，特此制定了林家屋基隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的施工組織方案，如下：

（1）地表調(diào)查：對隧道范圍內(nèi)地形、地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件，不良地質(zhì)作用等進(jìn)行進(jìn)一步的全面核查。

（2）洞內(nèi)地質(zhì)素描：對隧道全段（包括正洞和橫洞）進(jìn)行地質(zhì)素描。

（3）TSP超前探測：采用TSP超前探測，重點(diǎn)查明隧道巖體完整性、軟弱結(jié)構(gòu)面、斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶規(guī)模、大小、發(fā)育位置。對隧道進(jìn)行貫通性探測。

（4）紅外探測儀超前探測：采用紅外線探測儀對隧道前方掌子面水文地質(zhì)條件進(jìn)行探測，宏觀掌握掌子面前方短距離（大約30m）范圍內(nèi)的富水帶位置及富水情況。

（5）地質(zhì)雷達(dá)：采用地質(zhì)雷達(dá)對可溶巖段、向斜核部、侵入接觸帶、軟硬巖接觸帶、斷層及其影響帶或TSP超前探測發(fā)現(xiàn)的異常地帶，進(jìn)行短距離精確探測，精確查明巖溶裂隙發(fā)育位置、大小規(guī)模、形態(tài)、充填及富水狀況以及斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶位置、規(guī)模、接觸帶巖體完整性等工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。沿線隧道均為巖溶隧道，故對各隧道均進(jìn)行貫通性探測。

（6）超前地質(zhì)鉆孔：對于隧道可溶巖巖溶弱發(fā)育段，采用一孔超前探孔貫通，對于巖溶中等—強(qiáng)烈發(fā)育及復(fù)雜地段（勘察期間發(fā)現(xiàn)的斷層破碎帶、褶皺地段、溝谷地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶、裂隙發(fā)育帶、巖脈出露帶及其他預(yù)報(bào)手段探測到的異常地段）必要時(shí)采用多孔探測；重點(diǎn)復(fù)雜地段（其他預(yù)報(bào)手段探測到的重大異常地段）采用超前地質(zhì)探孔進(jìn)行超前驗(yàn)證探測。

（7）地質(zhì)綜合分析：對全隧道進(jìn)行地質(zhì)素描，記錄現(xiàn)場揭露的地質(zhì)信息，并綜合上述各種探測方法獲得的地質(zhì)信息，通過綜合分析，預(yù)測預(yù)報(bào)前方工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。

3　綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在林家屋基隧道應(yīng)用中的典型工程案例分析

3.1地表調(diào)查及地質(zhì)素描法工程案例

調(diào)查區(qū)域?yàn)榱旨椅莼淼罊M洞往出口里程為D1K930+186～+216，為侵蝕、溶蝕構(gòu)造中山溝谷地貌，東高西低，山體高大，地形陡峭，相對高差較大。調(diào)查區(qū)域內(nèi)基巖多裸露，地表上覆粉質(zhì)粘土，下伏基巖為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組一段（T2g1）泥巖夾泥灰?guī)r，地下水類型主要為第四系松散土層孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水，水量貧乏至中等，局部較富水。該段圍巖為泥巖、泥灰?guī)r灰?guī)r、灰?guī)r，弱風(fēng)化，巖體整體較破碎—破碎，巖體強(qiáng)度5～30MPa。巖層層面不清晰，層間結(jié)合較差，巖層產(chǎn)狀N55°W/65°S，節(jié)理發(fā)育，主要發(fā)育兩組節(jié)理J1：N37° E/60°S；J2:N58°W/80°S，節(jié)理間距8～32cm，微張型，無充填。地下水整體不發(fā)育，局部滴滲水（圖1）。

圖1　隧道掌子面D1K930+186處地質(zhì)素描

3.2TSP法工程案例

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)（通常在隧道的左或右邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn)）用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面（如斷層、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)。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收。數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件處理，可以獲取掌子面前方巖石的彈性模量、密度、泊松比、楊氏模量等參數(shù)，據(jù)此便可了解隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）、位置及規(guī)模等。預(yù)報(bào)距離一般為100～150m。

圖2　TSP203原理示意圖

在D1K930+144里程處進(jìn)行的TSP203探測結(jié)果顯示（見圖2）：D1K930+144～+189段圍巖整體破碎，為軟巖夾較軟巖，軟巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育。其中在D1K930+147～+158及D1K930+162～+189段為溶蝕破碎帶或軟弱夾層；D1K930+189～+243段圍巖整體較破碎，局部破碎，為較軟巖夾軟巖，較軟巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性一般。其中在D1K930+ 202～+220段為軟弱夾層；D1K930+243～+264段圍巖整體較完整，圍巖強(qiáng)度變強(qiáng)，為硬巖夾較軟巖，以硬巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育。其中在D1K930+245～+246段為軟弱夾層。除在D1K930+147、D1K930+189、D1K930+220、D1K930+243附近存在線狀水外，其余地段地下水整體不發(fā)育。

3.3地質(zhì)雷達(dá)法工程案例

地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)屬于短距離預(yù)報(bào)，每次預(yù)報(bào)距離為30m，搭接5m，采用瑞典MALA-X3M地質(zhì)雷達(dá)探測，本次選取的案例為D1K930+186處施作的探測實(shí)例（圖3、圖4），結(jié)果顯示：該段圍巖整體破碎，巖體以軟巖夾較軟巖為主，節(jié)理發(fā)育，巖體穩(wěn)定性較差。其中在D1K930+194～+200及D1K930+205～+214段為節(jié)理密集帶，且在D1K930+193附近發(fā)育一溶蝕裂隙。地下水整體不發(fā)育。

3.4紅外探測法工程案例

紅外探測法是通過分析圍巖的紅外輻射場強(qiáng)值來確定地下水發(fā)育情況的一種預(yù)報(bào)方法，主要是通過紅外輻射場強(qiáng)的值的最大差值以及波動(dòng)情況來判斷地下水的發(fā)育狀況的。在D1K930+186處施作的紅外探測結(jié)果顯示：（1）掌子面巖體上均勻布置20個(gè)測點(diǎn)的紅外輻射場強(qiáng)數(shù)值最大值為322μW/cm2，最小值為315μW/cm2，差值為7μW/cm2，小于允許的安全值10μW/cm2；（2）根據(jù)現(xiàn)場所測左邊墻腳、左邊墻、拱頂、右邊墻、右邊墻腳、底板中線的輻射場強(qiáng)值（從掌子面往已開挖段每隔5m布置一個(gè)測點(diǎn)）繪制曲線，可以看出：往掌子面方向，紅外輻射場強(qiáng)值曲線起伏較小范圍內(nèi)地下水整體不發(fā)育。

圖3　地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖4　地質(zhì)解譯圖

3.5綜合預(yù)報(bào)分析結(jié)論

綜合預(yù)報(bào)分析就是根據(jù)該段所施做的地質(zhì)素描、TSP、雷達(dá)、紅外探測及超前地質(zhì)鉆探等結(jié)果進(jìn)行相互比較、驗(yàn)證和綜合，去偽存真，得到較為可靠的綜合預(yù)報(bào)結(jié)論。對本文中的D1K930+186處所施作的地質(zhì)素描、TSP、地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水等預(yù)報(bào)手段進(jìn)行綜合，可以得到以下的預(yù)報(bào)結(jié)論：此段30m巖體整體破碎，巖體以軟巖夾較軟巖為主，節(jié)理發(fā)育，巖體穩(wěn)定性較差。其中在D1K930+194～+200段和D1K930+205～+214段為節(jié)理密集帶，且在D1K930+193附近發(fā)育一溶蝕裂隙。除在D1K930+189附近存在線狀或股狀出水外，其余地段地下水整體不發(fā)育。

4　結(jié)束語

（1）由于物探結(jié)果具有多解性，單一預(yù)報(bào)方法往往無法全面掌握隧道地質(zhì)信息，采用綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，可以得出較為可靠的結(jié)論，能夠大大減少誤報(bào)和漏報(bào)情況。

（2）綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)具有綜合探索性、實(shí)踐性很強(qiáng)的特點(diǎn)，以地質(zhì)+物探+超前鉆孔組合的方法優(yōu)化了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，消除了單一物探方法帶來的部分誤差，能更準(zhǔn)確地對隧道施工前方不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)，避免盲目施工帶來突水、突泥、危巖垮塌等工程事故，提高施工效率，降低成本。

（3）在施工過程中，要根據(jù)施工揭示情況隨時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方案，以保證施工安全。

（4）由于物探結(jié)果解譯的準(zhǔn)確性依賴于地質(zhì)工作者的經(jīng)驗(yàn)，因此，積累大量預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖后揭示情況的對比資料，建立輔助預(yù)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是一個(gè)值得探索的方向。

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U456.3

B

1004-5716（2016）06-0191-03

2016-02-01

2016-02-03

許亞軍（1977-），男（漢族），河南濟(jì)源人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地下工程施工監(jiān)測及隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)工作。