高速鐵路隧道地質超前預報現場應用

李 鵬 飛

(濟南力穩巖土工程有限公司，山東 濟南 250061)

1 工程概況

黃家溝隧道位于湖北省襄陽市?？悼h及南漳縣境內，隧道起訖里程D1K468+230～D2K476+237,全長7 827.279 m(出口洞身存在斷鏈，斷鏈為長179.721 m短鏈，D1K476+020.279=DK476+200)。隧道最大埋深209.4 m。設計Ⅳ級圍巖6 940 m，占全隧長度的88.7%；Ⅲ級圍巖400 m，Ⅴ級圍巖456.3 m。全隧分為進口、橫洞、出口共3個工區4個作業面組織施工。

黃家溝隧道地處荊山山脈，屬構造侵蝕剝蝕低山地貌區，隧址區內地勢總體上呈現中間高兩側低的態勢，地形復雜，溝壑交錯，山巒縱橫。主體山勢呈北西—南東向延展，連綿起伏，地形切割較深，峰谷相間。隧道沿線地質條件復雜，穿越眾多的斷層破碎帶及富水巖體，為有效識別不良地質，確保施工安全，需開展超前地質預報工作。

2 超前預報方法

隧道超前地質預報是保證隧道施工安全、優化工程設計、實現施工信息化的重要基礎。通過超前地質預報工作，可以進一步查清隱伏的重大地質問題，是確保施工安全和結構安全的重要手段，也是鐵路隧道施工作業中關鍵的重要作業環節，是施工中不可缺少的關鍵工序，必須作為工序納入施工組織管理。根據各隧道地質分級和超前地質預報方法的適用性，本分部所屬隧道采用以下方法：地質調查法(地表補充地質調查、掌子面地質素描)、超前鉆探法(超前鉆孔、加深炮孔)、物理勘探法(TSP203、地質雷達)[1,2]。

2.1 TSP

TSP203方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。TSP每次預報距離根據現場地質情況不同，一般為80 m～150 m，需連續預報時，前后兩次應重疊10 m以上。地震波在設計的震源點用小量炸藥激發產生。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數據通過TSPwin軟件處理，便可了解隧道掌子面前方地質體的性質和位置及規模[3]。

2.2 地質雷達

探地雷達是利用頻率介于106 Hz～109 Hz的電磁波來確定地下介質分布的一種地球物理方法。地質雷達在超前地質預報中可用于探測斷層、溶洞和空洞等不良地質體，具有無損、低成本和工作效率高等特點。

探地雷達的基本原理為發射天線將高頻短脈沖電磁波定向送入地下，電磁波在傳播過程中遇到存在電性差異的地層或目標體就會發生反射和透射，接收天線收到反射波信號并將其數字化，然后由電腦以反射波波形的形式記錄下來。對所采集的數據進行相應的處理后，可根據反射波的傳播時間、幅度和波形，判斷地下目標體的空間位置、結構及其分布特征[4]。

3 隧道現場應用

為驗證采用TSP203和地質雷達相結合的方法進場超前地質預報的有效識別，對隧道穿越富水破碎區域進行了一次綜合探測。

3.1 TSP

采用TSP203儀器進行數據采集。震源點位于黃家溝隧道出口右側墻，設計24炮，實際采集19炮。探測結果顯示掌子面前方范圍內隧道圍巖以強風化頁巖為主，圍巖完整性較差，巖體破碎或較破碎，巖質軟弱到較軟弱，節理裂隙較發育，部分區域含有裂隙水和軟弱夾層，圍巖自穩能力較差(探測成果詳細解釋如表1所示)。

表1 TSP探測成果詳細解釋表

3.2 地質雷達

本次地質雷達探測采用型號為SIR-3000的美國地質雷達，天線主頻為100 MHz。

探測結果顯示掌子面前方30 m范圍內圍巖主要以強風化頁巖為主，巖質軟弱～較軟弱，巖體強度較低，圍巖完整性較差，節理裂隙發育，巖體較破碎，局部有裂隙水發育(成果解釋圖如圖1所示)。

3.3 開挖對比

開挖圍巖描述K475+175～K475+116段基巖為層狀頁巖，差異風化明顯，全風化厚度較大。地下水主要為基巖空隙裂隙水，水量一般，隧道圍巖為強風化頁巖，強度低，自穩能力差，強透水性，K475+175～K475+150段開挖圍巖級別為Ⅳ級，K475+150～K475+116段開挖圍巖級別為Ⅴ級。K475+175～K475+150段預報圍巖級別為Ⅴ級，與開挖圍巖級別有所不同。D1K475+150～K475+116段預報圍巖級別為Ⅴ級，與開挖圍巖級別基本相同。

4 結語

本文以鄭萬高速鐵路黃家溝隧道為研究對象，采用TSP203和地質雷達兩種方法對隧道不良地質進行了超前預報，預報結果和實際開挖情況符合。超前地質預報可有效識別隧道前方的不良地質情況，根據預報結果，有效指導施工，保證施工安全。