基于三維超前地質預報的瓦斯隧道穿越破碎段施工技術

溫 輝

(中鐵十二局集團第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

由于我國中西部地區山區地質結構特殊和復雜的特點，山區公路隧道的需求與日俱增。在大量的水平層狀圍巖隧道中斷層破碎帶等是隧道工程中經常遇到的一種不良地質，經過綜合研究發現，幾乎所有的山嶺隧道都受到過不良地質段的影響。

TSP技術起于瑞士，引入我國后被廣泛運用于隧道施工中，基于地震波的反射原理，利用地震波在具有波阻抗差異的巖體中反射回來的信息對不良地質體進行預報[1-2]。尖山嶺隧道[3]在施工過程中通過三維地震波層析成像技術對隧道工作面前方工程地質與水文地質條件進行超前預報；婁國充等[4]利用人為手段制造震源，進而形成了一種定向三維超前地質預報技術，能夠對開挖工作面前方圍巖情況進行預判；孫志濤等[5]以某鐵路隧道為工程依托，利用三維地質預報系統，結合原位試驗等手段對預報可靠程度進行了分析。三維地質預報技術是一種創新的超前地質預報技術手段，可更直觀地對掌子面前方圍巖進行預報，從而指導施工。

瓦斯隧道施工極易發生安全事故，張曉利等[6]針對瓦斯氣體的性質及危害提出了安全風險控制措施；吳平[7]對瓦斯隧道穿越采空區進行風險分析，并總結了安全距離的確定方法；孫意[8]對成貴鐵路四川紅層段瓦斯特征進行分析，并對勘察階段隧道瓦斯工區類別劃分提出建議；龍港等[9]采用超前鉆探的方式對掌子面前方煤層進行預測，并利用鉆孔進行瓦斯抽放以保證施工安全；王林峰等[10]通過正交實驗對瓦斯隧道通風方案進行了優化。

針對隧道穿越斷層破碎帶施工，汶文釗[11]依托北天山隧道，通過帷幕注漿加固圍巖并施作大管棚作為超前支護，采用臺階法開挖，保證結構的安全；商崇倫[12]依托齊岳山隧道，提出采用超前預注漿和大管棚的方法加固富水斷層破碎帶圍巖；盧慶釗[13]通過數值模擬，針對隧道穿越斷層破碎帶提出了一套聯合施工方法。

由此可見，三維超前地質預報技術手段能夠準確、有效地對開挖工作面前方巖土體特點進行預測，基于預報信息形成三維地層預報模型，能夠更直觀地指導隧道穿越瓦斯、斷層破碎帶施工。

2 工程背景

仁壽至屏山新市公路位于四川南部，眉山市、樂山市及宜賓市沿線坐落，主線長158.029 km，馬邊支線長43.799 km，路線全長201.828 km。仁壽經沐川至屏山新市段高速公路五指山隧道為曲線隧道，進口(仁壽)段呈近東西向，向洞身內逐漸過渡為南南西向，該方位一直延續至出口(新市)端。隧道按雙洞雙向四車道80 km/h高速公路標準設計，主洞建筑限界凈寬為10.25 m，限界高度5 m。

五指山隧道左右線全長均接近5 km，左線起訖里程為 ZK132＋910～ZK137＋750，包含約83.1%為Ⅳ級圍巖段、其余為Ⅴ級圍巖段。右線起訖里程為K132＋883～K137＋750，包含明洞 5 m、約82.6%為Ⅳ級圍巖段、其余為Ⅴ級圍巖段。左右線洞門形式均采用端墻式洞門。

2.1 工程地質

五指山隧址區位于四川西南緣向云貴高原的過渡帶上，受巖性和構造控制，形成陡峭相間連續變化地形。隧址區內老君山為地形最高點，高程達到1 790 m，最低點的中都河高程約420 m，相對高差約為1 360 m，具有山高谷深坡陡的特點。為侵蝕、溶蝕構造高中山地貌。

隧道穿越整個五指山背斜，進口端主要地層為飛仙關組巖層陡傾，產狀多為50～90°55°～ 80°，在隧道進口段～隧道中部巖層產狀近水平～緩傾變化，地層由老至新按正常層序產出，依次為二疊系的玄武巖、宣威組、飛仙關組、銅街子組、嘉陵江組、雷口坡組，其產狀為285°5°～26°，總體來看巖層產狀變化不大，地層平緩，但該箱狀背斜中部巖層亦有起伏，褶曲發育。

2.2 水文地質

五指山坐落在長江上游，標段工區位于岷江水系和金沙江水系之間。岷江水量較大，主要河流包括通江河、芒溪河、清水溪、沐溪。全區水域分布集中，鮮少分支，分支水量較小，路徑較短，河床深度大，寬度小，流量受季節影響大。

2.3 施工重難點

五指山隧道穿越煤系地層以及破碎段，不良地質施工存在諸多難點。煤系地層的瓦斯環境對施工組織提出較高要求，洞內用火及機械設備均需進行特殊處理，對施工人員的管理也需進行調整。破碎段巖土體完整性差，隧道穿越破碎段時易發生坍塌、掉塊等危險，嚴重威脅施工人員安全，影響施工進度。

3 超前地質預報

3.1 使用儀器

探測使用TSP-RF系統硬件主要由地震信號采集器、地震信號記錄器、檢波器及震源等幾部分組成。

3.2 探測原理

“TSP-RF”三維超前地質預報是基于不同的震源、不同極化反射地震波來記錄的。彈性波記錄系統依賴于分布在隧道結構各個位置的檢波器。通過檢波器形成定向覆蓋錐形雷達，再進一步還原成一個在面部的中心點。在多個振源位置連續激發情況下，記錄波場矢量以形成總結性參數化三維圖像。該參數化圖像可以協助判別涌水、冒頂、含水區域及破碎帶等隧道前方危險地質情況。本次測試中探測系統布置采用圖1方式。

圖1 探測系統布置方式

3.3 掌子面地質情況

掌子面樁號為ZK136＋628，為三臺階開挖法，掌子面圍巖主要為細砂巖、粉砂質泥巖，碎裂狀結構。地層近水平狀，略向掌子面右側傾斜，傾角約10°；強風化，強度中等 ～較低，敲擊聲啞，總體為軟質巖體；節理裂隙發育，部分張開，層間結合差，完整性差，開挖擾動后呈碎塊狀，拱部及拱頂易掉塊或坍塌。掌子面干燥，無明顯滲漏水。現場判斷掌子面附近圍巖級別為Ⅴ級，設計圍巖級別為Ⅳ級。

3.4 探測結果分析

通過對TSP測試結果的總結和歸納，同時參考工作面前方巖土體表征特點，對工作面前方120 m范圍內巖土體分布特點進行描繪和完善，并建立破碎三維預測模型如圖2所示。

圖2 破碎三維模型

預報段120 m(ZK136＋628～ZK136＋748)范圍內，推斷圍巖級別有Ⅴ、Ⅳ弱。圍巖主要為細砂巖、粉砂質泥巖，局部夾炭質頁巖、煤層(煤線)，圍巖強度總體較低，層間結合差，易掉塊或坍塌。地下水弱發育，受降雨和地表水文環境影響較大。推斷該段圍巖整體強度較低，巖層的節理裂隙發育，圍巖風化破碎程度高，表現為破碎～較破碎，易掉塊或坍塌，地下裂隙水局部較發育，建議選擇合適的處理方案，避免涌突水現象發生。

4 不良地質段施工技術

4.1 斷層破碎帶施工

隧址區多處斷層，受區域性斷裂影響，斷層發育相對集中。斷層破碎帶巖體呈碎石壓碎狀結構，斷層破碎帶內節理裂隙發育，巖石破碎，完整性差，破碎帶內部分節理裂隙含水，但罕見成洞現象，開挖過程引起掉塊及坍塌風險較大。斷層破碎帶周圍巖土體分布有一定程度的裂隙，不具備較好完整性，地下水可沿裂隙分布，這部分巖土體中開挖隧道應警惕洞頂掉塊。針對斷層破碎帶及周圍受其影響巖體破碎、裂隙中有地下水的特點，并采取如下技術措施:

(1)采用地質超前預報

采用TSP203型地質探測儀對斷層破碎帶區域圍巖情況進行探測。以獲取開挖工作面前方巖土體中節理裂隙的分布信息。

(2)做好斷層地段施工的防排水

根據斷層破碎帶范圍內的水文條件，判斷地下水補給路徑，從而采取針對性措施。在開挖過程中應向開挖工作面前方按照要求進行超前鉆孔，鉆孔數量不少于2個，鉆鑿深度不少于4 m，從而對斷層承壓水進行探測。隨著開挖進行，同時施作排水設施，對工作面圍巖及結構進行防排水處理，隨時查看圍巖條件，以便及時加固。

(3)斷層破碎帶地段施工措施

①對于圍巖條件較好的區段，上部臺階“門”字形開挖，下部臺階先左后右緊隨其上，嚴格控制爆破振動等干擾，選擇預裂光面爆破。對于圍巖條件較差的區域，考慮到圍巖完整性差及地下水的影響，可采用三臺階七步流水開挖法開挖。

②在斷層帶區域，應調整各工序施工進尺，使工序與工序之間更緊湊，從而支護結構能夠盡快封閉成環，防止圍巖擾動區域進一步擴大。

③對開挖施工技術進行調整，調整爆破參數，以達到減少擾動的目的。

④控制開挖進尺，避免一次性大面積挖方，根據監控數據實時反饋調整支護方案，及時施作仰拱，使支護結構閉合成環，形成更合理的受力結構。施工過程中加強對圍巖及結構的監控，并以此為依據及時對支護方案和施工組織進行優化調整。

⑤開挖時加大預留變形量，預留徑向變形量加大為20 cm。

⑥初期支護采用C25噴射混凝土，鋼架采用20a鋼架構成強大的初期支護體系，二次襯砌采用鋼筋混凝土。支護結構盡早閉合。根據監控量測情況，在圍巖及初期支護變形趨于穩定后進行二次襯砌施作，作為安全儲備。

⑦超前支護采用雙層?42超前小導管對開挖面前方土體進行加固，初期支護采用鋼拱架、網噴混凝土，綜合多種支護手段，加強支護體系抗變形能力。

⑧開挖后立即施作噴混對新裸露的巖土體臨空面進行封閉，對于極端圍巖條件，及時施作仰拱或臨時仰拱以促使支護封閉成環，形成優勢承載結構。

⑨加強監控量測頻率，根據監控數據反饋分析，確定有效判據指標，監控結構承載工作情況，進一步診斷支護結構和巖土體力學行為特征，從而對支護方案進行針對性更新，以確保結構安全有效。

4.2 瓦斯段施工

針對隧道中瓦斯區域，采用綜合預報方法，以地質分析為基礎，采用超前鉆探和瓦斯檢測，每個掌子面不小于3個超前鉆孔，以確認前方瓦斯濃度及壓力。

在隧道內瓦斯監控方面，采用人工與自動相結合的監控思路。一方面指定專員使用便攜設備定時對洞內氣體情況進行檢測和記錄；另一方面，在各個開挖工作面臺車、二襯臺車上及通風系統中布置瓦斯自動探頭，探頭可隨臺車前進，伴隨施工過程全天候全天時監控洞內氣體情況，并將數據傳輸到瓦斯測報中心，與人工檢測數據進行對比修正，確保瓦斯監控的可靠性。

嚴格進行洞內明火使用審批，對有明火工作需求的作業區域前后20 m范圍內風流加強監測頻率，確保瓦斯濃度低于0.5%，謹防監測區域內拱頂、結構背部等可能積存瓦斯的部位，確保排除所有隱患。設立專職對用火區域進行管理，避免殘火危害。

瓦斯檢測人員對洞內氣體情況進行定時檢測，并及時上報，尤其對斷面變化區域、表面不光滑位置等處，警惕瓦斯氣體積存。

5 監控量測綜合分析

為監測初期支護受力及圍巖內部情況，對預報段ZK136＋628～ZK136＋748上臺階掌子面樁號ZK136＋725位置處上、下臺階初期支護及圍巖進行監測，監控量測斷面布置如圖3所示。

圖3 監控量測斷面儀器布置示意

現場監控量測結果顯示，拱頂圍巖接觸壓力相對較大，約達0.089 MPa。拱頂混凝土應力較大，約達-11.22 MPa。鋼支撐內力在拱頂位置受力較大，約達-29.40 kN。右邊墻測點2錨桿軸力相對較大，受力位置在圍巖內約2 m左右。右邊墻圍巖內部位移相對較大，達0.19 cm。

五指山隧道左線ZK136＋725選測斷面拱頂圍巖接觸壓力相對較大，拱頂噴射混凝土應力較大，拱頂鋼支撐內力較大，右邊墻錨桿軸力、圍巖內部位移相對較大，應時常關注位移或應力較大部位，必要時需補打系統錨桿和鎖腳錨桿，補噴混凝土。

6 結論

“TSP-RF”三維超前地質預報系統預報方法能夠有效預測掌子面前方圍巖情況，形象直觀3D模型指導了隧道施工。五指山隧道水平巖層瓦斯段施工通過該預測方法針對性進行不良地質段施工方案調整，有效控制圍巖變形和位移，初期支護變形得到有效控制，安全通過破碎段、瓦斯段等不良地質段施工。此超前地質預報方法及不良地質段施工方案可在類似隧道圍巖施工中推廣應用。