基于三維超前地質(zhì)預(yù)報的瓦斯隧道穿越破碎段施工技術(shù)

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(qū)山區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊和復(fù)雜的特點，山區(qū)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(jīng)常遇到的一種不良地質(zhì)，經(jīng)過綜合研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的山嶺隧道都受到過不良地質(zhì)段的影響。

TSP技術(shù)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(zhì)體進行預(yù)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(shù)對隧道工作面前方工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件進行超前預(yù)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(zhì)預(yù)報技術(shù)，能夠?qū)﹂_挖工作面前方圍巖情況進行預(yù)判；孫志濤等[5]以某鐵路隧道為工程依托，利用三維地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，結(jié)合原位試驗等手段對預(yù)報可靠程度進行了分析。三維地質(zhì)預(yù)報技術(shù)是一種創(chuàng)新的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)手段，可更直觀地對掌子面前方圍巖進行預(yù)報，從而指導(dǎo)施工。

瓦斯隧道施工極易發(fā)生安全事故，張曉利等[6]針對瓦斯氣體的性質(zhì)及危害提出了安全風(fēng)險控制措施；吳平[7]對瓦斯隧道穿越采空區(qū)進行風(fēng)險分析，并總結(jié)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(qū)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(yù)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(fēng)方案進行了優(yōu)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(jié)構(gòu)的安全；商崇倫[12]依托齊岳山隧道，提出采用超前預(yù)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(shù)值模擬，針對隧道穿越斷層破碎帶提出了一套聯(lián)合施工方法。

由此可見，三維超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)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(yù)測，基于預(yù)報信息形成三維地層預(yù)報模型，能夠更直觀地指導(dǎo)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(jīng)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(nèi)逐漸過渡為南南西向，該方位一直延續(xù)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(shè)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(zhì)

五指山隧址區(qū)位于四川西南緣向云貴高原的過渡帶上，受巖性和構(gòu)造控制，形成陡峭相間連續(xù)變化地形。隧址區(qū)內(nèi)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(gòu)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(guān)組巖層陡傾，產(chǎn)狀多為50～90°55°～ 80°，在隧道進口段～隧道中部巖層產(chǎn)狀近水平～緩傾變化，地層由老至新按正常層序產(chǎn)出，依次為二疊系的玄武巖、宣威組、飛仙關(guān)組、銅街子組、嘉陵江組、雷口坡組，其產(chǎn)狀為285°5°～26°，總體來看巖層產(chǎn)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(fā)育。

2.2 水文地質(zhì)

五指山坐落在長江上游，標段工區(qū)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(qū)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(jié)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(zhì)施工存在諸多難點。煤系地層的瓦斯環(huán)境對施工組織提出較高要求，洞內(nèi)用火及機械設(shè)備均需進行特殊處理，對施工人員的管理也需進行調(diào)整。破碎段巖土體完整性差，隧道穿越破碎段時易發(fā)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(zhì)預(yù)報

3.1 使用儀器

探測使用TSP-RF系統(tǒng)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(zhì)預(yù)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(tǒng)依賴于分布在隧道結(jié)構(gòu)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(xù)激發(fā)情況下，記錄波場矢量以形成總結(jié)性參數(shù)化三維圖像。該參數(shù)化圖像可以協(xié)助判別涌水、冒頂、含水區(qū)域及破碎帶等隧道前方危險地質(zhì)情況。本次測試中探測系統(tǒng)布置采用圖1方式。

圖1 探測系統(tǒng)布置方式

3.3 掌子面地質(zhì)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(zhì)泥巖，碎裂狀結(jié)構(gòu)。地層近水平狀，略向掌子面右側(cè)傾斜，傾角約10°；強風(fēng)化，強度中等 ～較低，敲擊聲啞，總體為軟質(zhì)巖體；節(jié)理裂隙發(fā)育，部分張開，層間結(jié)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(xiàn)場判斷掌子面附近圍巖級別為Ⅴ級，設(shè)計圍巖級別為Ⅳ級。

3.4 探測結(jié)果分析

通過對TSP測試結(jié)果的總結(jié)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(nèi)巖土體分布特點進行描繪和完善，并建立破碎三維預(yù)測模型如圖2所示。

圖2 破碎三維模型

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

4 不良地質(zhì)段施工技術(shù)

4.1 斷層破碎帶施工

隧址區(qū)多處斷層，受區(qū)域性斷裂影響，斷層發(fā)育相對集中。斷層破碎帶巖體呈碎石壓碎狀結(jié)構(gòu)，斷層破碎帶內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，完整性差，破碎帶內(nèi)部分節(jié)理裂隙含水，但罕見成洞現(xiàn)象，開挖過程引起掉塊及坍塌風(fēng)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(yīng)警惕洞頂?shù)魤K。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(shù)措施:

(1)采用地質(zhì)超前預(yù)報

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

(2)做好斷層地段施工的防排水

根據(jù)斷層破碎帶范圍內(nèi)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(yīng)向開挖工作面前方按照要求進行超前鉆孔，鉆孔數(shù)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(shè)施，對工作面圍巖及結(jié)構(gòu)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(qū)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(yù)裂光面爆破。對于圍巖條件較差的區(qū)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(qū)域，應(yīng)調(diào)整各工序施工進尺，使工序與工序之間更緊湊，從而支護結(jié)構(gòu)能夠盡快封閉成環(huán)，防止圍巖擾動區(qū)域進一步擴大。

③對開挖施工技術(shù)進行調(diào)整，調(diào)整爆破參數(shù)，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(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)實時反饋調(diào)整支護方案，及時施作仰拱，使支護結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)，形成更合理的受力結(jié)構(gòu)。施工過程中加強對圍巖及結(jié)構(gòu)的監(jiān)控，并以此為依據(jù)及時對支護方案和施工組織進行優(yōu)化調(diào)整。

⑤開挖時加大預(yù)留變形量，預(yù)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(gòu)成強大的初期支護體系，二次襯砌采用鋼筋混凝土。支護結(jié)構(gòu)盡早閉合。根據(jù)監(jiān)控量測情況，在圍巖及初期支護變形趨于穩(wěn)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(dǎo)管對開挖面前方土體進行加固，初期支護采用鋼拱架、網(wǎng)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(huán)，形成優(yōu)勢承載結(jié)構(gòu)。

⑨加強監(jiān)控量測頻率，根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)反饋分析，確定有效判據(jù)指標，監(jiān)控結(jié)構(gòu)承載工作情況，進一步診斷支護結(jié)構(gòu)和巖土體力學(xué)行為特征，從而對支護方案進行針對性更新，以確保結(jié)構(gòu)安全有效。

4.2 瓦斯段施工

針對隧道中瓦斯區(qū)域，采用綜合預(yù)報方法，以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，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?jié)舛燃皦毫Α?/p>

在隧道內(nèi)瓦斯監(jiān)控方面，采用人工與自動相結(jié)合的監(jiān)控思路。一方面指定專員使用便攜設(shè)備定時對洞內(nèi)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(fēng)系統(tǒng)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(jiān)控洞內(nèi)氣體情況，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵咚箿y報中心，與人工檢測數(shù)據(jù)進行對比修正，確保瓦斯監(jiān)控的可靠性。

嚴格進行洞內(nèi)明火使用審批，對有明火工作需求的作業(yè)區(qū)域前后20 m范圍內(nèi)風(fēng)流加強監(jiān)測頻率，確保瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%，謹防監(jiān)測區(qū)域內(nèi)拱頂、結(jié)構(gòu)背部等可能積存瓦斯的部位，確保排除所有隱患。設(shè)立專職對用火區(qū)域進行管理，避免殘火危害。

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

5 監(jiān)控量測綜合分析

為監(jiān)測初期支護受力及圍巖內(nèi)部情況，對預(yù)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(jiān)測，監(jiān)控量測斷面布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)控量測斷面儀器布置示意

現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)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(yīng)力較大，約達-11.22 MPa。鋼支撐內(nèi)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(nèi)約2 m左右。右邊墻圍巖內(nèi)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(yīng)力較大，拱頂鋼支撐內(nèi)力較大，右邊墻錨桿軸力、圍巖內(nèi)部位移相對較大，應(yīng)時常關(guān)注位移或應(yīng)力較大部位，必要時需補打系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨桿，補噴混凝土。

6 結(jié)論

“TSP-RF”三維超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報方法能夠有效預(yù)測掌子面前方圍巖情況，形象直觀3D模型指導(dǎo)了隧道施工。五指山隧道水平巖層瓦斯段施工通過該預(yù)測方法針對性進行不良地質(zhì)段施工方案調(diào)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(zhì)段施工。此超前地質(zhì)預(yù)報方法及不良地質(zhì)段施工方案可在類似隧道圍巖施工中推廣應(yīng)用。