綜合地質預報技術在池黃高鐵三姑尖三號隧道中的應用

薛明英

(中交路橋華北工程有限公司，北京 101113)

由于設計提供地質勘察資料準確性有限，隧道地質條件具有復雜性，多變性，隧道開挖后揭露的巖性常與圖紙不符，經常遇到溶巖區、軟弱破碎帶、節理裂隙、斷層、巖爆、突水突泥等地質災害，給施工帶來困難。目前尚無一種能解決所有地質問題的超前地質預報技術方法，因此在施工過程中需組合運用不同的地質預測、物理探測、鉆孔探測等超前地質預報措施，綜合分析各種預報資料，互相補充印證，對開挖掌子面前方圍巖狀況及不良地質做出精確預報，及時變更開挖方式及支護參數，調整施工方案，從而提高工效、縮短施工周期，避免災害的發生或減輕災害造成的損失，確保安全施工及環境生態保護。三姑尖三號隧道采用綜合預報目的是為尋求最佳的預報組合方式，為后續其他隧道施工提供參考。

1 工程概況

池黃高鐵三姑尖三號隧道全長924.9 m，樁號里程DK116+357(進洞)-DK115+432，目前掌子面里程DK116+231，已進尺126 m。根據鉆探揭露，結合區域地質資料對比分析，按其成因和時代主要有：表層為第四系全更新統殘坡積土，下伏基巖主要為寒武系下統荷塘組炭質泥巖和震旦系皮園村組硅巖；基巖區，深部巖層為弱風化，鉆探未揭露。

2 綜合地質預報技術

2.1 掌子面超前水平鉆孔

在掌子面設計超前鉆孔2孔，每孔設計深30 m，鉆孔偏角0°，豎直角0°，目的是查清前方巖體破碎程度及富水情況。本隧道共進行了三次掌子面超前水平鉆孔探測，里程范圍分別為DK116+296-DK116+266、DK116+273-DK116+243和DK116+249-DK116+219，探測成果為：①DK116+296-DK116+266段、DK116+273-DK116+243段0～30 m范圍內為弱風化炭質泥巖，地下水弱發育，局部有滴、滲水。②DK116+249-DK116+219段0～30 m范圍內為弱風化炭質泥巖，地下水弱發育。綜合解釋結論：節理裂隙較發育～弱發育，巖體較完整，地下水弱發育。

2.2 TSP探測

TSP探測選擇掌子里程DK116+284，探測范圍120 m。2D和3D物理力學參數圖及反射面解譯圖見圖1。根據TSP探測得出以下解釋成果：

圖1 2D和3D物理力學參數及反射面解譯圖

(1)DK116+284-DK116+262段圍巖，長22 m，該段圍巖波速Vp2 118～2 431 m/s，Vs1 380～1 676 m/s；泊松比為0.21～0.26；靜態楊氏模量1.4～2.2 GPa。該段縱波、橫波速度值、泊松比、密度和靜態楊氏模量值較為穩定，存在個別明顯反射界面。

(2)DK116+262-DK116+246段圍巖，長16 m，該段圍巖波速Vp2 224～2 663 m/s，Vs1 331～1 446 m/s；泊松比為0.25～0.30；靜態楊氏模量2.0～2.6 GPa。該段縱波、橫波速度值較前值整體上升，并且泊松比、密度及靜態楊氏模量等力學參數較前值整體稍微增高，且反射界面相對較少，如圖1所示。

(3)DK116+246-DK116+164段圍巖，長82 m，該段圍巖波速Vp2 408～2 513 m/s，Vs1 419～1 434 m/s；泊松比為0.23～0.26；靜態楊氏模量2.2～2.5 GPa。該段縱波、橫波速度值較前值整體抬升，泊松比、密度及靜態楊氏模量等力學參數也整體升高，反射界面相對較少。

具體預報成果為：①DK116+284-DK116+262段圍巖完整性較當前掌子面情況基本一致，巖體較破碎，節理裂隙較發育，地下水弱發育。②DK116+262-DK116+246段圍巖完整性情況較前段圍巖情況稍微變好，節理裂隙較發育，巖體較破碎～較完整，地下水弱發育。③DK116+246-DK116+164段圍巖情況稍微更好，節理裂隙較發育～弱發育，巖體較完整，地下水弱發育。綜合解釋結論：節理裂隙較發育～弱發育，巖體較完整，地下水弱發育。

2.3 地質雷達探測

地質雷達探測探測自DK116+334開始，每次探測范圍30 m，相鄰兩次搭接5 m，以掌子里程DK116+279.4為例進行展示，測線布置如圖2所示。

圖2 地質雷達測線布置圖

如圖3所示，DK116+279.4-DK116+249.4段波形較為雜亂，反射波同相軸總體較錯斷，探測成果為：推測該段圍巖為弱風化炭質泥巖，節理裂隙較發育，巖體較破碎，圍巖穩定性一般，地下水弱發育，拱頂易掉塊。綜合解釋結論：地下水弱發育,巖體較破碎。

圖3 測線1和測線2地質雷達探測成果

2.4 高密度電阻法

物探范圍：三姑尖3號隧道出口段DK116+307.6、DK116+297.6、DK116+287.6、DK116+277.6位置。共布置4條測線，測線總長度1 050 m。高密度電阻法測線詳細情況如表1所示。實地位置利用1∶500 地形圖，采用RTK定位。

表1 三姑尖 3 號隧道出口段物探(高密度電阻率法)測線布置

勘探深度滿足洞身范圍，本次物探工作的主要任務為：查明測區巖土分界、基巖風化分界的分布及展布情況，重點查明巖體完整性、覆蓋層變化情況、巖體富水情況，從而為鉆探成果的內插、外推和現場施工提供依據[1]。以DK116+307.6剖面L1-L1′高密度電阻率法物探解譯圖(如圖4所示)為例，說明4條測線得出結果：

圖4 高密度電阻法物探解譯圖

反演電阻率剖面圖 L1-L1′顯示，DK116+307.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風化炭質泥巖，隧道頂板以上全風化層約 7.2 m，強風化層約 10.6 m，弱風化層約 12.4 m。

反演電阻率剖面圖 L2-L2′顯示，DK116+297.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風化炭質泥巖，隧道頂板以上全風化層約 9.6 m，強風化層約 7.9 m，弱風化層約 13.6 m。

反演電阻率剖面圖 L3-L3′顯示，DK116+287.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風化炭質泥巖，隧道頂板以上全風化層約 7.2 m，強風化層約 10.2 m，弱風化層約 21.7 m。

反演電阻率剖面圖 L4-L4′顯示，DK116+277.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風化炭質泥巖，隧道頂板以上全風化層約 6.6 m，強風化層約 16.1 m，弱風化層約 23.0 m。

綜合解釋結論：地下水弱發育，巖體較破碎。

2.5 加深炮孔法

掌子面加深炮孔位置為上臺階左拱頂、右拱頂、中心距離拱頂2.5 m處，炮孔長度6 m。表2為DK116+240-DK116+234段加深炮孔現場記錄，記錄此斷面鉆進均勻，無卡鉆，無水，鉆渣為黑色巖粉，母巖為炭質泥巖[2-3]。

表2 DK116+240掌子面加深炮孔記錄

2.6 掌子面地質素描

每隔3 m進行一次掌子面地質素描，掌子面DK116+237位于其他各項超前地質預報重疊樁號，且為目前最新開挖面，對前項各類超前地質預報效果可進行驗證。圍巖為寒武系炭質泥巖，灰黑色，弱風化，原巖結構未破壞，節理裂隙發育，巖體較破碎，圍巖整體性較好，掌子面圍巖整體濕潤。

原圖紙設計此樁號斷面地質描述為：危巖，落石高發區。巖性為炭質泥巖，巖體破碎，局部分部有硅質巖，巖質硬，巖體穩定性差，強富水性，支護類型為Va，三臺階臨時仰拱法，I型超前小導管。對比發現地質素描與原設計出入較大。

綜合解釋結論：無原圖紙描述強富水地段，圍巖整體性較好，DK116+237-DK116+207段圍巖由V級變更為IV級。

3 預報成果對比應用

可綜合分析既定設計的長距離、中長距離、短距離超前地質預報組合的探測結果，可以較真實的認識隧道開挖后掌子面的圍巖等級。2021年01月08日，經業主及設計院等相關單位對三姑尖三號隧道DK116+237段掌子面進行現場踏勘，判定洞身圍巖巖體完整，地下水弱發育，掌子面直立性好。超前地質預報顯示前方30 m與掌子面基本一致。據此對比原設計，DK116+237-DK116+207段圍巖等級由V級變更為IV級，開挖工法由三臺階法調整為全斷面法，取消II類超前小導管，節約了投資和工期。

4 結束語

由于現階段國內外超前地質預報技術有限，目前尚無一種能夠解決所有地質預報問題的方法，同時預報環境受到的干擾因素太多，各種物探對環境的要求也不同，因此面對復雜多變的地質區域，隧道開挖需采用多種不同的超前地質預報方法，對測得的資料進行綜合分析，互相補充印證，以提高預報的準確率。