肯尼亞內(nèi)羅畢至馬拉巴標(biāo)軌鐵路一號隧道超前地質(zhì)預(yù)報方案研究

王 充 (中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100100)

0 引言

肯尼亞內(nèi)羅畢至馬拉巴標(biāo)軌鐵路一號隧道位于內(nèi)羅畢城區(qū)西南側(cè)，是該鐵路的主要風(fēng)險點(diǎn)，隧道出口附近存在陡崖，粗面巖出露，多形成危巖、落石，陡崖下覆蓋層較厚，有一條小型沖溝由左向右從隧線分界附近通過，除出口陡崖和進(jìn)口局部山坡外，部分地段為見基巖出露。

既有的工程地質(zhì)詳勘報告為全線的地質(zhì)勘察，勘察點(diǎn)布置僅能描述部分地質(zhì)情況，對于復(fù)雜的地質(zhì)，巖層裂隙分布較多，尤其是洞口風(fēng)化程度較大的地層，其很難準(zhǔn)確地描述該地質(zhì)的詳細(xì)特征，對于工程施工安全造成不可控的風(fēng)險。

隧道進(jìn)出口段易發(fā)生坍塌、掉塊。洞身較完整段局部受節(jié)理、裂隙切割較破碎段和風(fēng)化不均勻段拱頂易掉塊。局部節(jié)理密集帶可能存在滲水等。對本隧道的不同段落進(jìn)行地質(zhì)復(fù)雜程度分級。根據(jù)地層巖性、物探異常、水量等變化，動態(tài)調(diào)整地質(zhì)復(fù)雜程度分級和預(yù)報方法。

1 工程概況

內(nèi)馬鐵路一期全長120km，其中內(nèi)馬一號隧道全長4498m，隧道進(jìn)口里程DK34+826，出口里程DK39+324。隧道進(jìn)口段位于R=-1200m 的右偏曲線上，其余段落均在直線上，隧道的縱坡采用7‰。因?yàn)楣て诰o張，且施工時序問題，隧道設(shè)置斜井一座[1]，斜井位置位于線路左側(cè)，與左側(cè)線路中心交點(diǎn)，和平面夾角70°，斜井平距約500m，斜井進(jìn)洞采用11.5%的下坡，采用無軌單車道運(yùn)輸[2]。

一號隧道位于Kapiti 高原向東非大裂谷過渡地帶，屬于東非大裂谷東翼區(qū)，地形起伏較大，地勢略向東南傾斜，植被茂密，溝谷不發(fā)育，地面高程約為1877m～2005m。進(jìn)口地勢整體較為平緩，左側(cè)有一小沖溝與出口段近平行，右側(cè)山體臨近南環(huán)采石場。洞身地形相對平坦，有村莊、學(xué)校及耕地分布，土路縱橫，出口附近存在陡崖，粗面巖出露，多形成危巖、落石，陡崖下覆蓋層較厚，有一條小型沖溝由左向右從隧線分界附近通過。整個隧址區(qū)覆蓋層廣布，地表植被發(fā)育，除出口陡崖和進(jìn)口局部山坡外，其他地段為見基巖出露。

2 工程地質(zhì)特征

2.1 地層巖性

經(jīng)對工程場地工程地址調(diào)繪，場地內(nèi)出露的主要地層有第四系全新統(tǒng)坡積層、沖積層、火山堆積層和第四系更新統(tǒng)，根據(jù)調(diào)查，對場地發(fā)育地層描述如下：粉質(zhì)黏土（Q4al），棕紅色，土質(zhì)較均勻，局部含少量砂礫或石塊；塊石土（Q4dl），灰色，稍密至中密，稍濕，成分主要為粗面巖，塊徑約20cm～20cm，III 級硬土，主要分布在出口附近，為陡崖崩塌堆積體；細(xì)砂（Q4vl），灰色，稍密至中密，稍濕，成份主要為火山噴發(fā)物，I級松土，主要分布在隧道出口粉質(zhì)黏土層之下，靠近陡崖逐漸變厚，呈喇叭口狀分布；粗角礫石（Q4vl），灰褐色，稍密至中密，稍濕，礫石成份主要為粗面巖，II 級硬土，主要分布在隧道出口附近，靠近陡崖處漸厚。

粗面巖：石英含量變化較大，該套地層具有風(fēng)化不均勻的特點(diǎn)，弱風(fēng)化。強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化巖體之間沒有穩(wěn)定的風(fēng)化界限或風(fēng)化帶。常以某一種風(fēng)化程度為主，夾雜（包裹）其他風(fēng)化程度，相互穿插變化，風(fēng)化巖體節(jié)理根發(fā)育，慣性好，以張節(jié)理為主，充填物多為粉質(zhì)黏土，主要分布在隧道中后段。玄武巖：以強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化層為主，巖芯呈柱狀及碎塊狀，節(jié) 長5cm～30cm，碎 塊 徑5cm～10cm，錘擊聲響，不易碎，見結(jié)構(gòu)裂隙，表面較平整，呈銹黃色。主要分布于隧道進(jìn)口附近，層度不均。凝灰?guī)r：凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，狀塊構(gòu)造，巖質(zhì)較軟，較輕，全風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)已損壞，巖石風(fēng)化呈土狀。碎屑狀，夾殘余強(qiáng)風(fēng)化碎塊，手捻可碎，強(qiáng)風(fēng)化，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，狀塊構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，錘擊易碎，層厚1.5m～6m，分布于粗面巖之下，凝灰質(zhì)角礫巖之上。凝灰質(zhì)礫巖：灰黑色-灰褐色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，狀塊構(gòu)造，巖質(zhì)較軟，強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)較疏松，夾含有較多火山噴發(fā)塊狀碎屑物，近似朽木塊狀，全風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)已損壞，巖石經(jīng)風(fēng)化呈土狀、碎屑狀，夾殘余強(qiáng)風(fēng)化碎塊，手捻可碎，強(qiáng)風(fēng)化，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，錘擊易碎，層厚1.5m～6m，分布于凝灰?guī)r之下，層厚未揭穿，其中主要賦水地層為凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)角礫巖，玄武巖、粗面巖地層的鉆孔未見地下水，但巖體裂隙發(fā)育，有少量基巖裂隙水存在。

2.2 不良地質(zhì)

隧址區(qū)巖體經(jīng)歷了斷裂等構(gòu)造運(yùn)動和風(fēng)化作用的交叉影響，產(chǎn)狀多呈大角度直立，構(gòu)造節(jié)理、劈理和風(fēng)化節(jié)理等發(fā)育，各種類型的原生、次生結(jié)構(gòu)面等相互穿插，這種雜亂的結(jié)構(gòu)面組合嚴(yán)重破壞了巖體的完整性，降低了巖體的強(qiáng)度，形成了滲水通道，大大加劇了巖體的不穩(wěn)定性，施工中若處理不當(dāng)，易形成塌方。

3 超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報的目的主要是充分掌握地層情況，在施工過程中實(shí)現(xiàn)信息化管理。信息化即在施工過程中能獲取影響施工的相關(guān)信息，并對信息進(jìn)行分析，了解該類信息對于施工的影響，并據(jù)此調(diào)整設(shè)計變更及施工，保證施工質(zhì)量與安全生產(chǎn)的進(jìn)行。

超前地質(zhì)預(yù)報信息主要通過施工過程獲得，在施工過程中對未開挖隧道斷面的地質(zhì)進(jìn)行探測，作為后期設(shè)計、施工與監(jiān)理的預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合多種探勘手段，主要探測地質(zhì)不良地質(zhì)情況，尤其是對隧道施工安全影響較大的不良地質(zhì)因素，如巖溶、煤氣瓦斯、地下水等。超前地質(zhì)預(yù)報在提出地質(zhì)災(zāi)害的同時，需組織嚴(yán)密的方案論證，是否滿足施工及安全生產(chǎn)的需要，更注重對方案經(jīng)濟(jì)性的審查。

超前地質(zhì)預(yù)報是建立一個地質(zhì)信息系統(tǒng)，然后采用各種手段對地質(zhì)進(jìn)行摸查，形成系統(tǒng)的各項子項，當(dāng)?shù)刭|(zhì)信息系統(tǒng)完備后，可組織設(shè)計、施工方案的論證，并同時形成評估工程風(fēng)險的支撐，在后期的施工過程中，根據(jù)安全風(fēng)險的變化調(diào)整施工方法和支護(hù)參數(shù)，同時根據(jù)施工進(jìn)度獲取新的超前地質(zhì)參數(shù)，依次進(jìn)行循環(huán)。在該過程中，經(jīng)分析、整理的地層參數(shù)、地質(zhì)資料作為施工技術(shù)資料存檔。

超前地質(zhì)預(yù)報核心即為地質(zhì)綜合判析，即采用各種預(yù)報手段對地層的情況進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)與對比，形成綜合分析探測報告，在施工的過程中，結(jié)合設(shè)計因素，提出設(shè)計方案優(yōu)化，并形成資料，同時在后期的施工過程中指導(dǎo)施工。超前地質(zhì)預(yù)報需對地質(zhì)情況進(jìn)行綜合描述，包含對工程的描述，及工程范圍內(nèi)的地質(zhì)、水文，尤其是特殊的不良地質(zhì)因素的摸查及修編。

4 超前地質(zhì)預(yù)報選擇原則及方法

超前地質(zhì)預(yù)報的方法選擇主要根據(jù)隧道的地質(zhì)情況，地質(zhì)風(fēng)險源、風(fēng)險等級，所處的位置等確定，超前地質(zhì)報告目前按隧道地質(zhì)調(diào)查時序、深度、廣度可分為地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)情況素描、地質(zhì)雷達(dá)探測法、地質(zhì)物探法、地質(zhì)鉆孔和掌子面加深炮眼法[3]。

施工超前地質(zhì)預(yù)報是一項系統(tǒng)、比較完備的工作，需根據(jù)工程進(jìn)度及發(fā)展情況納入施工工序過程中。肯尼亞內(nèi)羅畢至馬拉巴標(biāo)軌鐵路一號隧道的超前地質(zhì)預(yù)報可根據(jù)里程及地質(zhì)初步調(diào)查后具體方法選用如下表所示。

根據(jù)一號隧道超前地質(zhì)選用方法，各方法具體介紹如下。

①地質(zhì)調(diào)查：即通過對已有的地質(zhì)勘察、地形測繪等資料對隧道范圍內(nèi)的既有的地形、地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等進(jìn)行全面的核查，必要情況下可以通過物探的方法進(jìn)行摸清。

②洞內(nèi)地質(zhì)素描：根據(jù)已有的地質(zhì)勘察對隧道范圍內(nèi)全段及特殊的地段進(jìn)行地質(zhì)描述。

③地質(zhì)雷達(dá)探測：利用雷達(dá)技術(shù)對隧道范圍內(nèi)的不良地質(zhì)條件，特別是斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻的地質(zhì)情況進(jìn)行摸查，雷達(dá)對于距離長短要求較高，但距離較短時，可準(zhǔn)確地探測斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶位置、規(guī)模等進(jìn)行完整的探測，在施工過程中能有效地對地層的應(yīng)力進(jìn)行分布并查明。

④超前地質(zhì)鉆孔：隧道與巖石中易出現(xiàn)溶巖現(xiàn)象，地質(zhì)鉆孔技術(shù)在探孔的過程中易發(fā)現(xiàn)溶巖的分布情況，在地質(zhì)素描過程中，發(fā)現(xiàn)的斷層破碎帶、褶皺地段、溝谷地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶、裂隙發(fā)育帶、巖脈出露帶及其他預(yù)報手段探測到的異常地段可通過重點(diǎn)布置多孔探測，進(jìn)行超前地質(zhì)探孔驗(yàn)證。

⑤掌子面加深炮眼：該方法主要是利用隧道開挖掌子面上進(jìn)行炮眼鉆孔，以掌握掌子面的地質(zhì)情況。

超前地質(zhì)預(yù)報需結(jié)合具體的工程籌建情況進(jìn)行，并結(jié)合已有的施工工序，超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)根據(jù)地質(zhì)復(fù)雜程度分級進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報設(shè)計，并編制實(shí)施大綱，綜合考慮地質(zhì)分析，最終出具地質(zhì)預(yù)報成果，以指導(dǎo)后期的設(shè)計變更及施工方案的編制，具體流程圖如圖1所示。

圖1 超前地質(zhì)預(yù)報工作流程示意圖

5 超前地質(zhì)預(yù)報施工要點(diǎn)

5.1 地質(zhì)描述

地質(zhì)描述主要是通過利用已有的地質(zhì)勘察、測繪、物探等資料對隧道開挖面范圍內(nèi)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文情況進(jìn)行描述，并用圖表的形式進(jìn)行地質(zhì)全方位具體的論述，其中包含掌子面的不良地質(zhì)情況，以及圍巖的等級等[4]。

一號隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法選取表

5.2 地質(zhì)雷達(dá)探測要點(diǎn)

目前的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)主要是利用寬帶高頻電磁波信號探測進(jìn)行的一種方法，它主要是利用電磁波在傳遞及反射的過程中，因介質(zhì)的不同其運(yùn)動特點(diǎn)亦不同特點(diǎn)對地質(zhì)情況進(jìn)行探測的一種[5]。

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar)主要組成為發(fā)射天線和接收天線，發(fā)射天線通過發(fā)射電磁波脈沖，并在地下傳播，當(dāng)電磁波遇到介質(zhì)不均勻，或在各類介質(zhì)傳播的過程中出現(xiàn)不同傳播特點(diǎn)的情況，其接收電磁波波長、波頻、電性差異及集合后的形態(tài)等變化均存在影響，可通過該類情況分析并預(yù)測地質(zhì)。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報示意圖

地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報主要是將雷達(dá)的天線貼在隧道掌子面，并緩慢移動天線，發(fā)射天線及接收天線均需緩慢移動，在移動過程中均需對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。由于掌子面通常采用上、下導(dǎo)坑開挖，工作面很狹小，這種探測方式比較適合掌子面惡劣的工作條件。地質(zhì)雷達(dá)探測的布線可采用兩橫兩豎或一橫三豎方式進(jìn)行布線，必要情況下應(yīng)根據(jù)掌子面的現(xiàn)場情況確定。現(xiàn)場首先記錄好掌子面的具體樁號，探測時盡量保持測線一致，（建議從左到右進(jìn)行檢測）每個掌子面探測兩遍進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，測量方法為點(diǎn)測（疊加參數(shù)為128），點(diǎn)測間距為10cm,脈沖采集道數(shù)不少于50道。

圖3 布線布置圖

5.3 超前地質(zhì)鉆孔

地質(zhì)鉆探作為最直觀且能直接識別巖層分布的一種方法，可作為主要手段用于超前地質(zhì)預(yù)報。鉆探法適用于多種地質(zhì)情況，且在有些特殊地層如富水軟弱斷層帶、巖溶發(fā)育區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)、重大物探異常等地質(zhì)條件復(fù)雜地段必須采用[6][7]。地質(zhì)鉆探技術(shù)需滿足以下要求。

5.3.1 孔數(shù)

①侵入巖性接觸帶每循環(huán)可只鉆一孔；

②地質(zhì)鉆探孔在掌子面鉆探布置時，鉆孔應(yīng)向外擴(kuò)散，以保證對掌子面周邊的巖層進(jìn)行摩擦。

5.3.2 孔深

①根據(jù)隧道的不同要求，且結(jié)構(gòu)形式的不同，確定不同的鉆孔深度；

②鉆探過程中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況以及出現(xiàn)的土層變化對鉆孔進(jìn)行動態(tài)控制和管理，并根據(jù)鉆孔情況可適時調(diào)整鉆孔深度，以滿足施工設(shè)計所需地層深度為主；煤層瓦斯超前鉆孔深度應(yīng)符合《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)指南》相關(guān)規(guī)定；

③當(dāng)孔深較深時，需進(jìn)行連續(xù)鉆探，一般情況下每次鉆探可鉆30～50m，如需更深的孔，可加強(qiáng)設(shè)備的選擇，局部深度可鉆至100m以上；

④連續(xù)鉆探保持前后循環(huán)鉆孔重疊5～8m。

5.3.3 孔徑

鉆孔與詳勘提出的孔徑大小一致，且滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5.4 掌子面加深炮眼

掌子面加深炮孔探測是利用風(fēng)鉆在隧道開挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質(zhì)信息的一種方法[8]。加深炮孔探測應(yīng)符合下列要求：

①孔深應(yīng)較爆破孔深3m以上；

②鉆孔直徑宜與爆破孔相同；

③孔數(shù)、孔位應(yīng)根據(jù)開挖斷面大小和地質(zhì)復(fù)雜程度確定；

④必須按設(shè)計認(rèn)真實(shí)施在特殊地層且對爆破不利的地區(qū)，在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時反饋信息，嚴(yán)禁盲目裝藥放炮；

⑤加深炮孔探測嚴(yán)禁在爆破殘眼中實(shí)施。

6 結(jié)論

肯尼亞內(nèi)羅畢至馬拉巴標(biāo)軌鐵路一號隧道出口附近存在陡崖，粗面巖出露等現(xiàn)象，易出現(xiàn)危巖、落石等問題，同時陡崖下覆蓋層較厚，有一條小型沖溝由左向右從隧線分界附近通過，除出口陡崖和進(jìn)口局部山坡外，部分地段為見基巖出露，易發(fā)生坍塌、掉塊事故，為準(zhǔn)確地對該地的地質(zhì)巖層的分布以及節(jié)理、裂隙發(fā)展，需對場區(qū)的地質(zhì)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報工作。

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，本工程超前地質(zhì)預(yù)報先對地質(zhì)的巖層、裂隙等進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，而后，對洞內(nèi)地質(zhì)進(jìn)行素描，對埋層較淺的巖層如隧道進(jìn)出洞口可采用地質(zhì)雷達(dá)探測法、物探法，對于較深的巖層，如隧道的較大埋深處，可采用超前地質(zhì)鉆孔和掌子面加深炮眼法。

通過對超前地質(zhì)預(yù)報掌握地層的發(fā)展規(guī)律及巖層的薄弱處，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害的宏觀控制，并指導(dǎo)災(zāi)害可能發(fā)生的事故，在具體工程中采用適當(dāng)措施預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害。