超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在斷層破碎帶中的綜合應(yīng)用

趙守全 朱兆榮

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，青海 格爾木 816000)

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超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在斷層破碎帶中的綜合應(yīng)用

趙守全1朱兆榮2

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.青海省凍土與環(huán)境工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，青海 格爾木 816000)

根據(jù)紅土山隧道地質(zhì)特征，采用TGP206地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)及鉆探相結(jié)合的方法，對(duì)巖層破碎帶進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)；并對(duì)比分析了紅土山隧道斷層破碎帶的預(yù)報(bào)成果與實(shí)際開(kāi)挖圍巖地質(zhì)狀況，驗(yàn)證了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性，說(shuō)明超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工中應(yīng)用的必要性和多種預(yù)報(bào)手段結(jié)合的重要性。

隧道，超前預(yù)報(bào)，斷層破碎帶，TGP

0 引言

紅土山隧道位于玉樹(shù)州結(jié)古鎮(zhèn)與隆寶鎮(zhèn)交界處，為單洞雙向行駛隧道，隧道長(zhǎng)3 020 m，根據(jù)勘察資料所示，該隧道與多條斷裂破碎帶相交，受斷裂影響，巖體十分破碎，小揉曲、小褶皺十分普遍，穩(wěn)定性很差，地下水類型為裂隙水、孔隙水，且富水性較好，隧道開(kāi)挖易產(chǎn)生崩塌，在K25+000附近存在F5斷裂，為了保證施工安全，需要綜合多種超前預(yù)報(bào)手段對(duì)該F5斷層的起始位置、寬度、破碎程度、含水量等信息詳細(xì)把握。設(shè)計(jì)資料中F5斷層與設(shè)計(jì)里程樁號(hào)在K24+950～K25+030間相交，但超前預(yù)報(bào)資料顯示在K24+950～K25+020段圍巖較前方無(wú)明顯變化，表明該段尚未進(jìn)入F5斷層，在K25+020處開(kāi)始進(jìn)入到F5斷層，K25+020～K25+080段為斷層破碎帶，設(shè)計(jì)明顯與實(shí)際圍巖情況存在偏差，F(xiàn)5斷層后移，而且寬度較設(shè)計(jì)也小了20 m，超前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的把握該段的圍巖情況，為施工單位的安全施工提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 紅土山隧道工程概況

隧址區(qū)地貌類型屬冰緣水流構(gòu)造侵蝕中高山地貌，地形起伏較大，隧道軸線通過(guò)路段地面標(biāo)高4 280.00 m～4 582.00 m，相對(duì)高差約302 m。隧道主要沿山林斜坡穿過(guò)，隧址區(qū)地表植被發(fā)育主要為高山草甸。

木模采用木工字梁模板體系。模板整體高度4.65m,每模混凝土澆筑高度4.5m。面板為21mm進(jìn)口芬蘭板；豎向背楞為H20mm木工字梁，設(shè)置間距不超過(guò)300mm；橫向背楞采用雙14#槽鋼。面板采用φ5mm自攻自鉆螺釘釘在H20mm木工字梁上，H20mm木工字梁采用木梁連接爪和槽鋼背楞相連成整體。木模的優(yōu)點(diǎn)是重量比鋼模輕，則優(yōu)先選用木模。

1)玉樹(shù)—甘孜斷裂(F1)：西起烏蘭烏拉湖北，經(jīng)過(guò)治多縣南、隆寶至玉樹(shù)進(jìn)入四川，最后延伸至川藏交界金沙江一線與四川甘孜附近的鮮水溝斷裂相交，青海省境內(nèi)長(zhǎng)約700 km，總體呈北西西—北西展布，傾向東北，傾角40°～83°，目前為逆斷層，北盤(上盤)二疊系上逆于南盤(下盤)三疊系、第三系之上。該斷層遭遇華力西中期生成，使石炭系、二疊系出現(xiàn)南北差異。印支期曾以斷層復(fù)活，形成較寬的破碎帶及三角面山，作為北界控制了三疊系的分布。喜山期有強(qiáng)烈活動(dòng)并至今不息，是一條發(fā)震斷裂。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐，美國(guó)的歷史游徑、歷史公園等從規(guī)劃建設(shè)到運(yùn)營(yíng)維護(hù)，均充分發(fā)揮了公眾參與的優(yōu)勢(shì)，一方面增加了建設(shè)和維護(hù)資金來(lái)源，減輕了政府的財(cái)政壓力；另一方面通過(guò)建立與公眾和企業(yè)的良好合作關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了公共服務(wù)設(shè)施的長(zhǎng)線運(yùn)營(yíng)和可持續(xù)發(fā)展，降低了維護(hù)的成本和損耗的風(fēng)險(xiǎn)，其中標(biāo)識(shí)系統(tǒng)由于數(shù)量較多、制作簡(jiǎn)單和形式多樣，是便于公眾和社會(huì)力量介入的載體之一。以韋弗利鎮(zhèn)歷史游徑標(biāo)識(shí)系統(tǒng)為例，政府大力鼓勵(lì)居民出資眾籌建設(shè)標(biāo)識(shí)，捐助費(fèi)用可用于包括標(biāo)識(shí)牌內(nèi)容設(shè)計(jì)、標(biāo)識(shí)牌制作和安裝等。為更好的促進(jìn)公眾參與，標(biāo)識(shí)的內(nèi)容和位置在條件允許的情況下，盡可能滿足認(rèn)捐人的需求，如署名或廣告推廣等[10]。

該斷裂與設(shè)計(jì)里程樁號(hào)K24+200～K32+600相交；距隧道進(jìn)口約90 m。斷裂帶的上盤為二疊系的板巖、砂質(zhì)板巖，受斷裂影響，巖體十分破碎，小揉曲、小褶皺十分普遍，線盤為第三系紫紅色砂巖、泥質(zhì)砂巖等。斷裂帶內(nèi)物質(zhì)主要為斷層泥、斷層角礫，夾灰?guī)r透鏡體。

TGP206隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)，是采用地震波反射回波方法來(lái)探測(cè)前方圍巖的變化。

2 TGP超前預(yù)報(bào)技術(shù)工作原理

2)F5斷裂：該斷裂層為逆斷層，呈近南北向走向，傾向西北，傾角約為75°，上下盤均為二疊系板巖，延伸長(zhǎng)度約1 500 m，寬約80 m，與隧道相交于K24+950～K25+030范圍內(nèi)，為安全起見(jiàn)，將范圍向兩側(cè)各擴(kuò)大50 m，即將K24+900～K25+080段設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)斷層破碎帶，如圖1所示。斷層及其影響破碎帶，圍巖以斷層角礫巖為主，[BQ]值小于250，圍巖埋深較淺，穩(wěn)定性很差，隧道開(kāi)挖易產(chǎn)生崩塌，開(kāi)挖時(shí)需加強(qiáng)支護(hù)，地下水類型為裂隙水、孔隙水，富水性較好。雨季施工地表水沿裂隙入滲在洞壁形成面狀或線狀水流，需加強(qiáng)支護(hù)及截排水措施。

1)掌子面開(kāi)挖至K24+860處超前預(yù)報(bào)成果：從掌子面開(kāi)挖至K24+860處的成果圖可以看出(見(jiàn)圖4)，圍巖橫波在K24+870處速度稍微變大，說(shuō)明圍巖在K24+870后富水程度有一定的增加；在K24+885處開(kāi)始縱波速度不斷的降低，有多個(gè)較嚴(yán)重的反射界面，說(shuō)明前方圍巖不斷變差，施工時(shí)一定要注意。K24+860～K24+960段，圍巖從K24+870處明顯變差，富水程度增加，圍巖的縱波波速下將，圍巖特性下降。

3 F5斷層破碎帶預(yù)報(bào)的實(shí)施

拉壓機(jī)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(OM-8650，歐美奧蘭儀器有限公司)、單粒水分測(cè)試儀(CTR-800ET，日本Shizuokaseiki)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DGG-9070B，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、PME型光電自動(dòng)數(shù)粒儀(上海珊科儀器廠)、電子精密天平、電子數(shù)量卡尺 (0～100mm 分辨率 0.01mm)、鋼板尺。

為了精確把握該段圍巖的實(shí)際情況，分別在掌子面開(kāi)挖至K24+860，K24+956，K25+042時(shí)采用TGP超前預(yù)報(bào)方法對(duì)隧道前方圍巖做了超前預(yù)報(bào)，當(dāng)掌子面開(kāi)挖至K25+020時(shí)發(fā)現(xiàn)掌子面圍巖進(jìn)入斷層破碎帶，又采用雷達(dá)法對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行了精確預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)波形非常紊亂，采用超前探水方法發(fā)現(xiàn)前方圍巖含水量大，掌子面描述情況見(jiàn)表1。

表1 紅土山隧道掌子面圍巖情況匯總表

地震波震源采用小藥量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，炸藥激發(fā)在隧道邊墻的風(fēng)鉆孔中，通常24個(gè)炮孔布置成一條直線。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一個(gè)(如圖2所示),通過(guò)逐個(gè)引爆激發(fā)孔中的小藥量炸藥獲取地震波震源，地震波以球面波形式向三維空間傳播。傳播過(guò)程中地震波遇到彈性波阻抗差異界面時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)繼續(xù)傳播，這種反射波被布置在隧道內(nèi)的檢波器接收，輸入到儀器中進(jìn)行信號(hào)放大、數(shù)據(jù)采集和處理，反射信號(hào)的傳播時(shí)間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比，通過(guò)測(cè)量直達(dá)波速度、反射回波的時(shí)間、波形和強(qiáng)度，在一定間隔距離內(nèi)連續(xù)采用上述方法，結(jié)合施工地質(zhì)調(diào)查，可以得到隧道圍巖的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，如動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量和動(dòng)泊松比參數(shù)等，最終達(dá)到預(yù)報(bào)隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的，探測(cè)原理見(jiàn)圖3。

2)掌子面開(kāi)挖至K24+956處超前預(yù)報(bào)成果：從掌子面開(kāi)挖至K24+956處的成果圖可以看出(見(jiàn)圖5)，圍巖縱波在K24+960～K25+014段速度起伏大，反射界面多，說(shuō)明圍巖K24+960～K25+014段圍巖為斷層破碎帶，圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜；在K24+960～K25+014段橫波變化界面多，波幅有所增加，說(shuō)明這段圍巖不富水性有所增加，但程度有限。在K25+014～K25+080后，縱波波速有一定程度的提高，橫波保持穩(wěn)定，說(shuō)明：在K25+014之后，圍巖巖體特性整體有所提高，富水性弱。

紅土山隧道K24+900～K25+200開(kāi)挖后，對(duì)實(shí)際開(kāi)挖圍巖、設(shè)計(jì)圍巖情況、超前預(yù)報(bào)圍巖情況進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)：

4 預(yù)報(bào)效果分析

3)掌子面開(kāi)挖至K25+042處超前預(yù)報(bào)結(jié)果：從掌子面開(kāi)挖至K25+042處的成果圖可以看出(見(jiàn)圖6)，圍巖縱波在K25+042～K25+100段縱波起伏大，反射界面多，說(shuō)明圍巖K25+042～K25+100段圍巖為斷層破碎帶，圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜；在K25+042～K25+090段橫波變化界面多，波幅有所增加，說(shuō)明這段圍巖節(jié)理裂隙水較發(fā)育。在K25+100后，縱波波速有小幅度的提高，橫波保持穩(wěn)定，說(shuō)明：在K25+100之后，圍巖巖體特性整體有所提高，存在少量的節(jié)理裂隙水。

在開(kāi)挖接近K24+950前，參戰(zhàn)各方對(duì)前方圍巖非常重視，但K24+950～K25+020段雖然圍巖較前方變差，但都明顯較好于設(shè)計(jì)的F5斷層，圍巖開(kāi)挖至K25+020處明顯進(jìn)入F5斷層破碎帶。富水程度明顯嚴(yán)重，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。

國(guó)外對(duì)于計(jì)算機(jī)犯罪在立法上起步比較早。如美國(guó)1987年頒布《聯(lián)邦計(jì)算機(jī)安全處罰條例》，法國(guó)1978年在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行法律保護(hù)［2］。在2004年生效的歐洲理事會(huì)制定的《關(guān)于網(wǎng)絡(luò)犯罪的公約》（以下簡(jiǎn)稱《公約》）是打擊網(wǎng)絡(luò)犯罪尤其是國(guó)際網(wǎng)絡(luò)犯罪的立法中最有影響力，也相對(duì)最為完善的規(guī)范性文件。

在K24+860處的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是成功的，但由于K24+860～K25+014段圍巖差，預(yù)報(bào)僅能對(duì)K24+860處掌子面前方圍巖的大致發(fā)展趨勢(shì)成功預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)的精度相對(duì)不夠；在K24+956處的預(yù)報(bào)并不成功，原因在于：地震波在破碎地層的能量衰減快，穿透能力低，致使K25+020后的數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)，即干擾數(shù)據(jù)，于是在K25+020處采用雷達(dá)法，發(fā)現(xiàn)K25+020前方圍巖的雷達(dá)波波幅較大，波形紊亂，局部頻率較寬，說(shuō)明掌子面前方圍巖較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，含有節(jié)理裂隙水，雷達(dá)圖像如圖7所示，結(jié)合超前探水法確定K25+000～K25+020段圍巖破碎，存在節(jié)理裂隙水；在K24+042處的超前預(yù)報(bào)是成功的，開(kāi)挖情況與預(yù)報(bào)情況相符，開(kāi)挖圍巖揭示在K25+080處穿過(guò)F5斷層，預(yù)報(bào)顯示在K25+088處圍巖向好，基本上二者的偏差在土木工程中是可以接受的,具體情況如表2所示。

帕帕國(guó)建國(guó)之初，大人們對(duì)孩子們是否能治理好自己的國(guó)家持懷疑態(tài)度，整天憂心忡忡。孩子們的爸爸、媽媽、爺爺、奶奶、外婆、外公……時(shí)不時(shí)地往帕帕國(guó)寄錢、寄營(yíng)養(yǎng)品、寄食物、寄玩具……生怕孩子們沒(méi)錢用、穿不暖、吃不飽、玩不好……大人們寄來(lái)的匯款單和包裹多得可以覆蓋住帕帕國(guó)100萬(wàn)平方公里的土地。但所有的東西和錢都被孩子們?cè)獠粍?dòng)地退了回去。他們不想做寄生蟲(chóng)，他們要用自己的勞動(dòng)來(lái)養(yǎng)活自己，他們需要學(xué)會(huì)自立。

表2 設(shè)計(jì)與實(shí)際開(kāi)挖情況對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

TGP隧道超前預(yù)報(bào)已在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中廣泛應(yīng)用，該方法有明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，主要總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1)TGP隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)具有預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)，能探測(cè)出前方的圍巖變化、節(jié)理發(fā)育、富水性等地質(zhì)變化等，這些是其他超前預(yù)報(bào)手段無(wú)法達(dá)到的，如探地雷達(dá)法、超聲波法、超前鉆孔法等，因而對(duì)指導(dǎo)隧道安全施工起著關(guān)鍵性作用，在隧道施工中也得到了廣泛的應(yīng)用。

2)TGP隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)在掌子面前方圍巖較為單一的情況下預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高，但當(dāng)掌子面前方圍巖復(fù)雜，如破碎地層，地震波衰減量大，采集到的有效信息少，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度較低。

3)對(duì)地質(zhì)情況復(fù)雜的圍巖，應(yīng)該在以TGP隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，必須采取其他超前預(yù)報(bào)手段予以輔助，避免一種預(yù)報(bào)手段的失效或失敗而引起的誤報(bào)，應(yīng)做到多種預(yù)報(bào)手段結(jié)合，提高隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。

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Comprehensive application of advance geology prediction technology in fault fracture zone

Zhao Shouquan1Zhu Zhaorong2

(1.ChinaRailwayNorthwestScienceAcademyCo.,Ltd,Lanzhou730000,China; 2.QinghaiFrozenSoil&EnvironmentEngineeringMajorLaboratory,Golmud816000,China)

According to the geological characteristics of Hongtu Mountain tunnel, adopt TGP206 geological prediction systems, ground penetrating radar method and drilling forecast method to verify the rock crusher zone, contrast Hongtu Mountain tunnel forecasting the outcome of the fault fracture zone with the actual geological conditions of surrounding rock excavation to verify the results of advanced geological prediction accuracy, and proof the importance of the need for geological prediction in tunnel construction applications and a variety of forecasting methods combined.

tunnel, advance prediction, fault fracture zone, TGP

1009-6825(2016)11-0180-04

2016-02-02

趙守全(1981- )，男，工程師； 朱兆榮(1983- )，男，工程師

U452.11

A