綜合超前地質預報在隧道工程中的應用

潘多

摘 要：新建貴陽—南寧客運專線貴州段站前工程 GNZQ-6 標段九萬大山 1 號隧道為Ⅰ級風險隧道，地質條件極其復雜。文章采用物探和鉆探、長距離探測和短距離探測相結合的探測方法，以及TSP 地震波探測法、超前水平鉆孔、加深炮孔的探測方法，準確預報出 DK193+340～DK193+370 斷層的不良地質，為隧道的安全施工提供了重要保障。

關鍵詞：客運專線;隧道;超前地質預報;工程應用

中圖分類號：U432.1

1 工程概況

新建貴陽—南寧客運專線貴州段地處貴州高原低山溶蝕峰從洼地地貌，地形起伏大，自然坡度20～45°，局部為陡崖，植被發育，洞身穿越石炭系下統大塘階上司段泥質灰巖夾頁巖、舊司段頁巖、砂巖、炭質頁巖、石英砂巖。砂巖巖性雜，巖質軟，巖層緩傾，巖石遇水容易軟化。該段站前工程GNZQ-6標段九萬大山1號隧道隧道進口里程DK177+048，出口里程DK194+060，最大埋深約488m，全長17.012km。該隧道共穿越9 層地層，其中，非可溶巖段落長2401m，可溶巖段落14611m。另外，隧道穿越3條斷層：①DK178+570附近發育懂架平推斷層，破碎帶洞身影響長度約60m，巖體破碎，巖質較軟，圍巖穩定性較差;②DK180+743附近發育一條逆斷層，洞身影響長度約200 m，斷層帶巖體破碎，含水豐富，突水突泥風險大;③DK184+860附近發育一條正斷層， 洞身影響長度約220 m，斷層帶巖體破碎，含水豐富，突水突泥風險大，地下水主要為基巖裂隙水。隧道為Ⅰ級風險管理隧道。

2 超前地質預報

現場施工采用地質素描、TSP地震波探測、超前水平鉆孔、加深炮孔等綜合方法進行超前地質預報。通過對圍巖的破碎和富水程度進行預測和驗證，及時對預報信息進行收集、處理，給施工方案和施工方法調整提供依據。

2.1 地質素描

地質素描是通過地層特征、要素與隧道幾何參數、地表相關性分析，以及地質理論分析等，推測開挖面前方可能的地質情況的一種預報方法。該方法采用地質羅盤、敲擊錘等簡單設備，不干擾施工，可很快出結果，能為整個隧道掌子面提供地質資料。根據掌子面地質素描記錄，PDK193+380掌子面巖性主要以石英砂巖為主，局部夾薄層頁巖，灰黑色，節理裂隙發育，巖體層間結合較好，局部滲水（圖1）。

2.2 加深炮孔

加深炮孔是根據隧道斷面大小及可能出現的不良地質，在每一循環布設3～8個加深探孔，探測孔較循環進尺加深3 m以上，外插角不小于21°，該方法施工簡單，不單獨占用施工時間，準確度高。現場加深炮孔的記錄顯示，鉆進過程無卡鉆與突進現象，鉆孔段落主要為石英砂巖，水量無明顯變化。加深炮孔施工見圖2。

2.3 超前水平鉆探

超前鉆探法是利用鉆機對掌子面前方進行沖擊和回轉鉆探的超前探測方法，適用于各種地質情況下的超前地質預報。本工程中使用意大利C6鉆機進行超前水平鉆孔施工，C6鉆機扭力大、取芯完整，對施工影響小，適用于各種地層的快速鉆進。現場施工時，結合TSP地震波探測結果，有針對性設計鉆孔的位置和鉆孔角度，施工過程中全程跟蹤作業，通過沖洗液的變化、鉆進的速率、出水量的大小判斷地質情況。超前水平鉆孔的資料顯示，沖洗液呈灰黑色，流量均勻，無卡鉆與突進現場，鉆孔段落巖性主要為石英砂巖，巖質硬，節理裂隙發育。超前水平鉆探施工見圖3。

2.4 TSP地震波探測

現場施工采用TSP地震波反射法，在軟弱、破碎地層或巖溶發育區，預報距離控制在100～120 m，前后2次搭接長度10 m以上;在隧道的圍巖完整時，物探距離可以達到200 m以上;當圍巖較破碎時，物探距離采用120 m的有效預報距離，搭接長度不小于30 m。

2.4.1 TSP地震波探測系統

TSP地震波探測系統通過三分量檢波器來接收地震波信號，并同時進行測量過程控制;通過起爆裝置引爆電雷管和炸藥，人工激發地震波。TSP地震波探測見圖4。

本工程在隧道里程PDK193+495的位置左側壁和右側壁分別布置1個地震波接收孔，孔徑為50 mm，左邊墻接收孔孔深為1.8 m，孔的高度高于底板約1.65m，右邊墻接收孔孔深為1.75 m，孔的高度高于底板1.2m;在PDK193+446～479段的左側壁布置24個激發孔分別激發地震波，孔間距1.49 m，孔徑45 mm，孔深1.38～1.79 m，所有激發孔裝填藥量均為100 g，激發孔的高度高于底板上方約1.2 m。TSP地震波探測系統布置示意圖、TSP接收器孔和炮孔布置示意圖見圖5、圖6。

2.4.2 探測數據處理

根據TSP地震波探測系統原理，把距離隧道軸線近、能量大的反射波組判釋為圍巖異常區，結合地震波速、反射波相位、泊松比和楊氏模量等參數對圍巖異常的類別進行劃分。

將現場采集的資料傳輸到計算機，對原始數據進行處理。根據爆炸點與檢波器的距離分別計算各段圍巖的縱波波速Vp和橫波波速Vs，根據Vp和Vs值可直接計算動力學參數，以及計算動彈性模量Wd、動剪切模量Gd和泊松比νd，其計算公式如式（1）：式（1）中，p為圍巖密度。

根據繞射重疊法原理，即可計算得到反射截面與隧道的相對位置，即與隧道軸線的交角或至掌子面的距離。

2.4.3 探測結果

本次探測預報掌子面里程為PDK193+436，探測預報里程范圍為PDK193+436～PDK193+316（掌子面前方120 m），探測結果為，圍巖總體較破碎，節理裂隙較發育～發育，其中，PDK193+403～PDK193+391段、PDK193+376～PDK193+355段和PDK193+325附近裂隙發育或存在夾層、含水。圖7為TSP地震波探測得到的反射層位及物理力學參數探測結果。

3 超前地質探測預報結論

綜合隧道PDK193+436～PDK193+316段物探法和超前鉆探法預報成果，結合掌子面地質隧道素描和地質勘察相關資料，綜合地質探測預報結論如下。

（1）PDK193+380～PDK193+322段巖性主要是石英砂巖，局部夾頁巖，圍巖較破碎，接力裂隙發育。

（2）PDK193 + 376～PDK193 + 355段和PDK193 +

325附近裂隙發育或存在夾層、含水。施工過程中采用加深炮孔進一步驗證表明：PDK193+382～PDK193+324段原設計圍巖級別為Ⅳ級，實際綜合預報分析該段圍巖級別亦為Ⅳ級，與原設計相符。

（3）DK193+340～DK193+370探測預報為，巖層緩傾，地下水較發育，頁巖巖質較軟，遇水易軟化，圍巖局部穩定性較差。施工中應注意降水量及圍巖含水量的變化和影響，做好防排水措施，及時支護，防止掉塊、局部坍塌及涌水等;探測預報段落局部可能存在少量瓦斯氣體聚集，施工過程中應進行瓦斯監測，做好通風處理措施。

4 結束語

綜合超前地質預報施工是一道重要的施工工序，通過綜合超前地質預報分析，同時對現場實際開挖的情況進行評估，提高了預報的準確性。新建貴陽—南寧客運專線貴州段站前工程GNZQ-6標段九萬大山1號隧道采用地質調查、加深炮孔、超前水平鉆孔、TSP地震波探測法等手段，對超前地質預報信息進行綜合分析、相互驗證，對隧道掌子面前方不良地質進行預報，使得該工程提前采取相應對策和措施，保證了隧道施工的安全。

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收稿日期 2019-11-25

責任編輯 朱開明