超前地質預報在活動斷裂帶隧道施工中的應用

宋 晃

(中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001)

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超前地質預報在活動斷裂帶隧道施工中的應用

宋 晃

(中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001)

結合大瑞鐵路某標段隧道穿越活動斷裂帶的特殊性，采用物探、超前探孔、加深炮孔等綜合探測手段，進行超前地質預報分析，并構建了活動斷裂帶地區綜合預報體系，全面準確地掌握了隧道圍巖的情況。

活動斷裂帶，隧道，綜合探測手段，超前地質預報

1 工程概況

新建大理至瑞麗鐵路(大瑞鐵路)保山至瑞麗段全線在云南省境內，全長約196.42 km。大瑞鐵路是國內第一條穿越橫斷山脈的Ⅰ級鐵路。地質具有高地熱、地應力、地震烈度(三高)；活躍的新構造運動、地熱水環境、外動力地質條件、岸坡淺表改造過程(四活躍)的典型特征。

1)地形地貌。大瑞線位于云貴高原西部的邊緣地帶、橫斷山南段，地勢起伏變化快、地形地貌復雜。

2)工程地質。沿線分部主要以碎屑巖、巖漿巖、碳酸鹽巖、變質巖為主。

沿線的活動及深大斷裂較為發育，全部屬于特提斯—喜馬拉雅斷裂體系。較為活躍的活動斷裂主要有：北東向的瀘水—龍陵—瑞麗斷裂帶、畹町斷裂及南北向的怒江斷裂帶。

3)水文地質。地表水主要為江水、水庫水及溝槽內流水。

地下水在不同的地質構造單元，有不同的特征，地下水類型主要有孔隙水、基巖裂隙水、斷裂帶水、巖溶水等。

4)不良地質及特殊巖土。全段主要不良地質問題有：高烈度地震區及深大活動斷裂、高地溫、巖爆及軟巖大變形、滑坡、錯落、危巖落石及巖堆、泥石流、巖溶、順層、放射性、有害氣體等。

全段特殊巖土有軟土、松軟土、膨脹土(巖)。

本線3次以隧道形式穿越瀘水—瑞麗活動斷裂帶，分別為樺桃林三號隧道、橄欖坡二號隧道及三臺山隧道。為改善地震響應特性，活動斷裂帶隧道襯砌采用近圓形襯砌結構，拱墻范圍預留35 cm補強凈空，以確保震害發生后及時修復，襯砌設計時向斷裂段兩端延伸50 m。

2 超前地質預報方法及其內容

2.1 超前地質預報目的

1)進一步查清隧道開挖工作面前方的工程地質與水文地質條件，一定程度指導施工；2)避免災害的發生并減小相關的危害損失；3)為設計變更提供支持依據。

2.2 超前地質預測預報的方法及其內容

根據具體隧道地質構成及風險等級，采取相互結合補充的超前探測方法，分別為地質調查法、物探法及超前鉆探法。

1)地質調查法。地質調查法包括隧道地表情況調查和洞內掌子面圍巖素描等。

2)物探法。物探法包括地震波反射法、紅外探測法、地質雷達法、時域瞬變電磁法等。

現場采取的物探方法為以上幾種措施相互結合的措施，主要分為WT-1～WT-4(見表1)。

表1 物探法措施表

3)超前鉆探法。在隧道施工中，物探法對前方掌子面及圍巖的情況判別較為宏觀。對大瑞鐵路線這種穿越活動斷裂帶、圍巖極為破碎且變化極快的隧道，鉆探法對圍巖的預判效果更為明顯。

a.超前地質鉆孔。采用沖擊鉆成孔結合孔內成像分析法，超前探測20 m～30 m，驗證中近距離物探超前探測的異常地段。每25 m一循環，每孔長30 m。

b.加深炮孔。利用隧道每一循環開挖時的炮孔加深并結合一定的外插角探測掌子面外圍的圍巖情況，每次施作3孔～5孔。

現場采取的鉆探方法為以上幾種措施相互結合的措施，主要分為ZT-1～ZT-7(見表2)。

表2 鉆探法措施表

3 以三臺山隧道為例綜合預報體系的運用

3.1 工程概況

三臺山隧道位于芒市西車站—壩托車站區間，為時速140 km/h單線隧道，隧道全長9 363 m。隧道進、出口兩次與龍陵—瑞麗斷裂帶相交，斷裂帶內巖體極破碎，成分以斷層角礫、壓碎巖為主，圍巖穩定性極差。本隧道的不良地質主要以活動斷裂帶、高地應力、順層偏壓、松軟土、膨脹土為主。全隧道分為進口、1號斜井、2號斜井、出口四個作業工區。

2號斜井全長615 m進入主線正洞，斜井主要位于龍陵—瑞麗深大活動斷裂帶上盤，斜井處于斷層破碎帶內，圍巖較為破碎。2號斜井XJ2K0+000～XJ2K0+430段落采用的超前地質預報法為WT-1(地震波反射法即TSP)和ZT-2(超前鉆孔1孔+加深炮孔5孔)。本次分析采用具有典型代表的圍巖變化情況較快、超前地質預報綜合分析起到的指導施工作用較為明顯的XJ2K0+300.4～XJ2K0+265.4一段。

3.2 物探法

2017年1月1日在掌子面里程XJ2K0+351處由第三方預報單位進行了TSP超前地質預報，本次探測里程為XJ2K0+351～XJ2K0+241，報告編號為J17檢大瑞-STS2#XJ-DZ-1。物探法對前方圍巖的判斷如表3所示。

表3 物探法探測結果

3.3 鉆探法

2017年2月12日在掌子面里程XJ2K0+300.4處施作了超前地質鉆孔，本次探測里程為XJ2K0+300.4～XJ2K0+265.4。

按照設計要求，本次主要為超前鉆孔1孔，鉆孔布置如圖1，圖2所示。

1)鉆孔情況與出水情況。鉆孔全程無卡鉆和塌孔現象，前期鉆進較為勻速，在23 m～35 m(XJ2K0+277.4～XJ2K0+265.4)范圍內鉆進速度加快；鉆進過程中有滲水，待鉆到10.3 m處(XJ2K0+290.1)時出水現象加劇，在繼續鉆進的過程中，水量隨著鉆孔的加深而加大。

根據鉆進情況，初步可判斷出XJ2K0+277.4～XJ2K0+265.4段圍巖變差、從XJ2K0+290.1開始圍巖出現裂隙水同時隨著呈現增加的趨勢。

2)孔內成像情況。隨后，為了進一步驗證鉆孔結論，對鉆孔進行了孔內成像,成像的截圖如圖3，圖4所示。

從圖3，圖4可以看出：在孔內10.3 m(XJ2K0+290.1)處，孔內左上部滲水現象嚴重，分析此處為一處滲水點；在孔內23 m(XJ2K0+277.4)處，孔內裂隙水量明顯增大，且孔內周邊開始有黃色夾層。

根據孔內成像情況，基本與鉆孔分析的結論相吻合。

3.4 物探及鉆探綜合分析施工建議

結合超前水平鉆探及物探TSP的資料綜合分析，向現場施工提出建議如下：

開挖揭示掌子面圍巖為板巖、混合巖、混合巖化片麻巖、微晶片巖夾變質砂巖，巖體破碎～極破碎,節理裂隙發育。在掌子面前方10.3 m，即XJ2K0+290.1處開始出現裂隙水，施工中應做好抽排水工作的相關準備；

在掌子面前方23 m～35 m，即XJ2K0+277.4～XJ2K0+265.4段巖體整體性較差，節理裂隙較發育且有軟弱夾層，地下水較多。施工中可能發生掉塊、坍塌及涌水風險，應嚴格控制開挖進尺，加強支護及監控量測，另在施工此段落時應嚴格做好加深炮孔對周邊圍巖的探測工作。

3.5 加深炮孔施作時的異常情況分析

此段落按照設計鉆探為加深炮孔(5孔)，在上臺階拱頂需施作3孔加深炮孔。XJ2K0+300.4～XJ2K0+270段落施作加深炮孔均較為正常，2017年3月2日施工至XJ2K0+270時，施作的3孔加深炮孔鉆進速度均較快，炮眼內返出的圍巖粉末顏色為黃色(掌子面圍巖為灰色)。

根據加深炮孔的結果分析，XJ2K0+270處掌子面拱頂上方圍巖極差，判斷軟弱夾層極為嚴重。故在施工此段落時要求加密超前小導管并加大注漿壓力以預防掉塊、坍塌的現象發生。

3.6 開挖揭示掌子面情況

開挖后揭示掌子面的圍巖情況為：

XJ2K0+290處掌子面圍巖整體性較好，開始出現裂隙水且水量較大(見圖5)；XJ2K0+277.4處掌子面圍巖整體性較差，節理裂隙較發育且開始有軟弱夾層現象，裂隙水量增大(見圖6)；XJ2K0+270處掌子面圍巖整體性極差，節理裂隙極發育且拱頂處完全為軟弱層(見圖7)。

圍巖開挖揭示的情況基本與超前地質預報綜合分析的判斷相吻合，超前地質預報綜合分析較好的指導了現場施工，成功的避免了施工中的掉塊、坍塌、涌水等的施工風險。

4 活動斷裂帶地區綜合預報體系

活動斷裂帶地區隧道超前地質預報綜合體系由以下幾種手段構成:

1)初步預報。查閱設計及勘查資料，對地表的情況進行提前全面調查。結合已施工段落的圍巖地質描述情況與設計情況進行綜合對比，初步推斷不同段落的地質情況；

2)中長范圍預報。采取以TSP為主的多種物探手段初步判斷掌子面前方100 m～150 m范圍的圍巖破碎、含水等情況；

3)短距離預報。采取超前地質鉆成孔結合孔內成像分析的手段，對前方30 m范圍的圍巖進行判斷。在初步預報和中長范圍預報基礎上，如發現異常情況，采用增加超前鉆孔、加深炮孔等進行對比驗證;

4)即時預報。按照設計要求施作加深炮孔，主要對掌子前方及周邊3 m范圍內的地質情況進行更加及時的判斷。

5 結語

1)三臺山隧道2號斜井XJ2K0+300.4～XJ2K0+265.4段的地質情況的成功預報，證明了超前地質預報綜合分析技術在隧道施工中對圍巖破碎情況的判斷是可行的。

2)在活動斷裂帶地區的超前地質預報中，使用地質調查法、物探(TSP為主)、超前鉆孔(結合孔內成像)、加深炮孔相互綜合的預報手段。首先利用地表調查、洞內圍巖素描、TSP為主的物探法相結合的分析手段初步了解隧道掌子面圍巖的大致情況，再通過超前鉆孔結合孔內成像分析對掌子面前方30 m范圍內的圍巖破碎情況進行進一步判斷。使用加深炮孔施作能夠更加直觀、及時的反映掌子面前方以及周邊尤其是拱頂部位的圍巖情況，對圍巖地質情況判識更加精確。

3)活動斷裂帶地區綜合超前地質預報，各種探測手段均具有一定的優缺點。物探判斷距離長但較為宏觀，超前鉆孔較為準確但存在一孔確定圍巖的局限性，加深炮孔及時準確但判斷距離較短。采取多種預報相互結合、相互佐證，遵循鉆探與物探相結合、鉆探為主的原則，能夠全面準確的了解隧道圍巖的情況。

[1] 馬 棟.金洞隧道超前地質預報技術[M].北京：北京鐵道出版社，2003.

[2] 譚信榮.陳壽根,馬 輝.隧道綜合超前地質預報技術在巖溶地區的應用[M].北京：北京鐵道出版社，2012.

[3] 陳鐵鋒.超前地質預報在巖溶隧道中的應用[M].北京：北京鐵道出版社，2011.

[4] 李文勝.綜合地質超前預報在巖溶隧道施工中的應用[J].西部交通科技，2012(5)：49-53.

On application of advanced geological forecast in tunnel construction of active fault zones

Song Huang

(ChinaRailwayNo.3BureauGroupCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

Combining with the active fault zones of tunnel in some section along Dali-Ruili Railway, the paper adopts the comprehensive detecting measures including the geophysical prospecting, advanced hole detection, and deepening blast holes, undertakes the advanced geological forecasting analysis, and establishes the comprehensive forecasting system of the active fault zones, so as to have the control over the tunnel surrounding rocks.

active fault zone, tunnel, comprehensive detecting measure, advanced geological forecast

1009-6825(2017)07-0184-03

2016-12-21

宋 晃(1984- )，男，工程師

U456.33

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