超前地質預報在隧道施工中的應用研究

金 東

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 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,設計2條分離式單行曲線隧道,設計洞身寬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。隧道區屬低山地貌,地形較簡單,兩側洞口處為坡積地貌,溝壑發育,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 隧道施工及預報進度統計表

2 檢測方法

檢測主要采用地質調查法、TSP和地質雷達法[1]。

地質調查法通過對掌子面及周邊開挖揭示的地層巖性、地質構造(巖層、結構面、斷層等)、地下水等情況進行描述并繪制成圖表,運用地質分析法、作圖法等定性分析掌子面前方地質情況及潛在風險。

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了24個錘擊點,1個檢波點,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探測現場布置示意圖

探地雷達法(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)又稱地質雷達法、透地雷達法,是利用高頻(106～109Hz)脈沖電磁電波確定地下介質分布的方法。結合現場實際情況,掌子面前方超前地質預報測線布置形式如圖2所示。

圖2 ZK21+680.4掌子面測線布置示意圖

3 檢測數據分析

3.1 掌子面地質調查法

掌子面巖性為黃褐色強風化礫巖,原巖結構大部分被破壞,礦物成分已顯著變化,呈碎屑結構,層狀構造,泥質膠結,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。產狀290°∠5°,普遍見黃褐色鐵質污染薄膜。錘擊聲啞,巖質較軟。結構面極發育,結合程度差,巖體極破碎,呈散體狀結構,易松弛掉塊。節理裂隙較為發育,主要有2組:J1節理組由長0.5～1.5m,間距1.0～1.5m的節理組成,總體產狀50°∠30°;J2節理組由長0.5～2.0m,間距1.0～1.5m的節理組成,總體產狀270°∠45°。30條/m,張開度1.0～5.0mm,充填物為泥質。掌子面干燥無水,地下水不豐富。根據《鐵路隧道超前地質預報技術規程》(Q/CR 9217—2015)中表E.2.1-1,確定地下水狀態分級為Ⅰ級。

3.2 TSP法

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

表2 測試分析結果表

預報結論與該段設計圍巖情況基本一致,其中ZK21+690～ZK21+700.4推測可能存在破碎帶,圍巖穩定性差,施工中應注意掉塊甚至塌落。

3.3 地質雷達法

根據地質雷達采集的數據進行處理分析,結果見圖3和圖4。

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

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

ZK21+680.4～ZK21+710.4區段預報段圍巖主要為黃褐色強風化礫巖。ZK21+680.4～ZK21+690段存在直達波以及振幅較高,頻率較低,相位穩定,同相軸不連續的雷達反射波信號;ZK21+690～ZK21+700.4段雷達反射波信號振幅顯著增強,相位穩定,同相軸連續,存在較強反射信號。ZK21+700～ZK21+710.4段雷達反射波信號顯著增強,相位變化較大,同相軸不連續。2#測線該段雷達波型較1#測線該段雷達波型振幅更大,波形更雜亂[2]。

因此,推測ZK21+680.4～ZK21+710.4區段整體圍巖節理裂隙發育,巖體極破碎,巖質較軟,圍巖穩定性較差。其中,ZK21+690～ZK21+700.4區段推測可能存在破碎帶,圍巖穩定性差,應注意開挖時引起的掉塊甚至塌落。

4 現場實際開挖情況

原設計情況:東溝隧道進口左線ZK21+690～ZK21+700段原設計圍巖主要為③-3中風化礫巖。該巖呈灰白色,碎屑、層狀結構,泥質膠結,主要礦物成分為石英、長石,節理裂隙發育;地下水以碎屑巖節理裂隙水為主,水量隨大氣降水量及節理裂隙的變化而變化。該段原設計為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粘土,拱頂掉塊,左側有裂隙水發育,圍巖穩定性差。綜合超前地質預報檢測報告判斷該段圍巖為Ⅴ級圍巖,與現場掌子面情況基本相符。現已將東溝隧道進口左線ZK21+690～ZK21+700段圍巖級別調整為Ⅴ級,開挖工法采用臺階預留核心土法,采用ZⅤq1襯砌類型,超前支護采用φ50超前小導管,工程量相應調整。

5 結論及建議

5.1 結論

綜合分析工程地質勘察資料以及掌子面地質觀察、地表補充地質調查和地質雷達測試結果,得出結論如下:通過TSP和地質雷達等超前地質預報,成功預測出Ⅳ級圍巖中存在破碎帶,及時變更設計,避免安全事故發生,說明超前地質預報對隧道施工具有指導意義。施工期間,仍需加強監測和地質超前預報,堅持動態設計,動態施工,及時根據預報結果調整施工工藝,采取超前預支護,保障施工安全。

5.2 建議

(1) 該區段節理裂隙較為發育,巖體層間結合能力較差,受拱頂巖體自重及施工擾動影響,拱頂易掉塊、坍塌,開挖過程中應優先采用對圍巖擾動較小的方式開挖,縮短開挖進尺,并及時加強超前支護。

(2)建議ZK21+690～ZK21+700.4區段采用弱爆破、短進尺的方式掘進,迅速封閉巖面,加強初期支護,及時跟進二次襯砌,并采取超前措施進行加固,防范突發事故。

(3)建議圍巖級別見表3。

表3 建議圍巖級別