超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工中的應(yīng)用研究

金 東

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

1 工程概況

東溝隧道位于遼寧省凌源市野岱溝村附近,呈東西向展布,設(shè)計(jì)2條分離式單行曲線隧道,設(shè)計(jì)洞身寬10.75m,高7.5m,左線起訖里程樁號ZK21+560～ZK23+758,隧道長度2198m,右線起訖里程樁號K21+612～K23+780,隧道長度2168m,屬長隧道。隧道區(qū)屬低山地貌,地形較簡單,兩側(cè)洞口處為坡積地貌,溝壑發(fā)育,凌源端洞口坡度較緩,綏中端洞口坡度略陡,凌源端采用墻式洞門,綏中端采用墻式洞門。

表1 隧道施工及預(yù)報(bào)進(jìn)度統(tǒng)計(jì)表

2 檢測方法

檢測主要采用地質(zhì)調(diào)查法、TSP和地質(zhì)雷達(dá)法[1]。

地質(zhì)調(diào)查法通過對掌子面及周邊開挖揭示的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造(巖層、結(jié)構(gòu)面、斷層等)、地下水等情況進(jìn)行描述并繪制成圖表,運(yùn)用地質(zhì)分析法、作圖法等定性分析掌子面前方地質(zhì)情況及潛在風(fēng)險(xiǎn)。

TSP是一種多波多分量地震反射勘探方法,基于回聲探測原理,與其他地震反射方法近似。在上臺階左邊墻處布設(shè)了24個錘擊點(diǎn),1個檢波點(diǎn),第1錘距離掌子面2m,錘間距0.5m,最小偏移距5m,布置示意圖見圖1。

圖1 TSP探測現(xiàn)場布置示意圖

探地雷達(dá)法(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)又稱地質(zhì)雷達(dá)法、透地雷達(dá)法,是利用高頻(106～109Hz)脈沖電磁電波確定地下介質(zhì)分布的方法。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,掌子面前方超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測線布置形式如圖2所示。

圖2 ZK21+680.4掌子面測線布置示意圖

3 檢測數(shù)據(jù)分析

3.1 掌子面地質(zhì)調(diào)查法

掌子面巖性為黃褐色強(qiáng)風(fēng)化礫巖,原巖結(jié)構(gòu)大部分被破壞,礦物成分已顯著變化,呈碎屑結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,泥質(zhì)膠結(jié),單層厚度0.8～1.0m。礫石呈渾圓狀—次棱角狀,直徑1.0～5.0mm,分選性和磨圓度較好。礫石成分為花崗巖、火山巖等。產(chǎn)狀290°∠5°,普遍見黃褐色鐵質(zhì)污染薄膜。錘擊聲啞,巖質(zhì)較軟。結(jié)構(gòu)面極發(fā)育,結(jié)合程度差,巖體極破碎,呈散體狀結(jié)構(gòu),易松弛掉塊。節(jié)理裂隙較為發(fā)育,主要有2組:J1節(jié)理組由長0.5～1.5m,間距1.0～1.5m的節(jié)理組成,總體產(chǎn)狀50°∠30°;J2節(jié)理組由長0.5～2.0m,間距1.0～1.5m的節(jié)理組成,總體產(chǎn)狀270°∠45°。30條/m,張開度1.0～5.0mm,充填物為泥質(zhì)。掌子面干燥無水,地下水不豐富。根據(jù)《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》(Q/CR 9217—2015)中表E.2.1-1,確定地下水狀態(tài)分級為Ⅰ級。

3.2 TSP法

此次ZK21+680.4～ZK21+780.4(100m)探測范圍內(nèi)的分析結(jié)果見表2。

表2 測試分析結(jié)果表

預(yù)報(bào)結(jié)論與該段設(shè)計(jì)圍巖情況基本一致,其中ZK21+690～ZK21+700.4推測可能存在破碎帶,圍巖穩(wěn)定性差,施工中應(yīng)注意掉塊甚至塌落。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)法

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 ZK21+680.4～ZK21+710.4段1#地質(zhì)雷達(dá)圖像(左→右)

圖4 ZK21+680.4～ZK21+710.4段2#地質(zhì)雷達(dá)圖像(左→右)

ZK21+680.4～ZK21+710.4區(qū)段預(yù)報(bào)段圍巖主要為黃褐色強(qiáng)風(fēng)化礫巖。ZK21+680.4～ZK21+690段存在直達(dá)波以及振幅較高,頻率較低,相位穩(wěn)定,同相軸不連續(xù)的雷達(dá)反射波信號;ZK21+690～ZK21+700.4段雷達(dá)反射波信號振幅顯著增強(qiáng),相位穩(wěn)定,同相軸連續(xù),存在較強(qiáng)反射信號。ZK21+700～ZK21+710.4段雷達(dá)反射波信號顯著增強(qiáng),相位變化較大,同相軸不連續(xù)。2#測線該段雷達(dá)波型較1#測線該段雷達(dá)波型振幅更大,波形更雜亂[2]。

因此,推測ZK21+680.4～ZK21+710.4區(qū)段整體圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體極破碎,巖質(zhì)較軟,圍巖穩(wěn)定性較差。其中,ZK21+690～ZK21+700.4區(qū)段推測可能存在破碎帶,圍巖穩(wěn)定性差,應(yīng)注意開挖時引起的掉塊甚至塌落。

4 現(xiàn)場實(shí)際開挖情況

原設(shè)計(jì)情況:東溝隧道進(jìn)口左線ZK21+690～ZK21+700段原設(shè)計(jì)圍巖主要為③-3中風(fēng)化礫巖。該巖呈灰白色,碎屑、層狀結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié),主要礦物成分為石英、長石,節(jié)理裂隙發(fā)育;地下水以碎屑巖節(jié)理裂隙水為主,水量隨大氣降水量及節(jié)理裂隙的變化而變化。該段原設(shè)計(jì)為Ⅳ級圍巖,開挖工法為臺階法,襯砌類型為ZⅣ3。

施工至ZK21+690處揭示掌子面圍巖為粉質(zhì)粘土,拱頂?shù)魤K,左側(cè)有裂隙水發(fā)育,圍巖穩(wěn)定性差。綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)檢測報(bào)告判斷該段圍巖為Ⅴ級圍巖,與現(xiàn)場掌子面情況基本相符。現(xiàn)已將東溝隧道進(jìn)口左線ZK21+690～ZK21+700段圍巖級別調(diào)整為Ⅴ級,開挖工法采用臺階預(yù)留核心土法,采用ZⅤq1襯砌類型,超前支護(hù)采用φ50超前小導(dǎo)管,工程量相應(yīng)調(diào)整。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

綜合分析工程地質(zhì)勘察資料以及掌子面地質(zhì)觀察、地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果,得出結(jié)論如下:通過TSP和地質(zhì)雷達(dá)等超前地質(zhì)預(yù)報(bào),成功預(yù)測出Ⅳ級圍巖中存在破碎帶,及時變更設(shè)計(jì),避免安全事故發(fā)生,說明超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對隧道施工具有指導(dǎo)意義。施工期間,仍需加強(qiáng)監(jiān)測和地質(zhì)超前預(yù)報(bào),堅(jiān)持動態(tài)設(shè)計(jì),動態(tài)施工,及時根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果調(diào)整施工工藝,采取超前預(yù)支護(hù),保障施工安全。

5.2 建議

(1) 該區(qū)段節(jié)理裂隙較為發(fā)育,巖體層間結(jié)合能力較差,受拱頂巖體自重及施工擾動影響,拱頂易掉塊、坍塌,開挖過程中應(yīng)優(yōu)先采用對圍巖擾動較小的方式開挖,縮短開挖進(jìn)尺,并及時加強(qiáng)超前支護(hù)。

(2)建議ZK21+690～ZK21+700.4區(qū)段采用弱爆破、短進(jìn)尺的方式掘進(jìn),迅速封閉巖面,加強(qiáng)初期支護(hù),及時跟進(jìn)二次襯砌,并采取超前措施進(jìn)行加固,防范突發(fā)事故。

(3)建議圍巖級別見表3。

表3 建議圍巖級別