隧道超前地質預報中幾個問題的探討

黃新連

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

超前地質預報作為隧道等地下工程規避施工風險,保證施工和運營安全的一項重要工程措施,在各類地下工程中得到了廣泛的應用。筆者通過宜萬鐵路34座復雜巖溶隧道近6年超前預報工作的經驗總結,對以下一些問題進行了探討。

1 超前地質預報是隧道勘察階段綜合勘探在施工階段的延續

復雜隧道有可能引發大型地質災害不良地質體的空間位置和規模,需要采取超前預報的措施在工程揭示前進行準確探測,以達到規避施工風險的目的。因此,超前地質預報可以定義為復雜隧道的工程地質綜合勘探,在施工階段和工程施工場地條件下的延續,用以解決地面勘察階段由于技術手段、地形條件限制而不能解決或達不到設計要求的工程地質問題。

超前預報必須在既有勘探資料的基礎上進行。一般都應該根據地面勘探資料對隧道進行工程風險級別劃分。宜萬鐵路是將復雜巖溶隧道的風險等級劃分為A、B、C三個等級[1-5],把區域性的導水或貯水構造、巖溶發育區段、重大物探異常等位置劃歸為A級地段,作為超前預報的重點,進行綜合超前探測；通過綜合分析后認為不存在施工風險的地段歸為C級,除了正常的地質素描外不進行超前探測工作；對介于A、C之間的B級地段,則根據地面勘探資料和施工過程中的地質變化情況,進行相應的超前探測工作[1,3]。

2 超前預報的工作內容及要求

超前預報的目的是要提前發現工作面前方或隧道周邊有可能引起地質災害不良地質體的位置和規模,對可能引發地質災害的程度進行預警。

2.1 地質素描

地質素描是超前預報的一項基礎資料收集工作,主要通過對工作面及周邊的圍巖巖性、巖層產狀、地質構造、節理裂隙、結構面和地下水等情況的描述,結合其他超前預報資料和地面勘察資料,推測工作面前方圍巖情況的改變[1,5]。

2.2 工作面上的超前探測

工作面上的超前探測是地質超前預報的主體,物探和鉆探是超前探測的主要手段,用于探測工作面穩定巖盤[3]前方溶洞、斷層和含水裂隙的具體位置,水量水壓的大小,推測其對施工安全的影響,為相應的應急預案制定提供資料。

2.3 水文觀測

復雜巖溶隧道施工,高壓充水溶洞或地下暗河造成的突水突泥是最主要的安全隱患。因此,應在施工過程中進行水文觀測,探查研究地下水或地下暗河與隧道中突涌水點之間的關系[6],并通過長期的水文觀測掌握隧道涌水量和水壓力隨季節的變化規律及其在不同強度暴雨過程中的滯后和延遲情況,建立復雜巖溶隧道的突涌水模式,預測可能發生的災害性突涌水的時間和空間。

2.4 隧底及周邊隱伏不良地質體的探測

對于復雜的巖溶隧道,隧底及周邊一定深度范圍內的隱伏巖溶或其他不良地質體有可能在工后或運營期間形成突發性地質災害,應在線下主體工程完成前及時發現并進行必要的處理,才能保證隧道工后工程和運營期間的安全。圖1是宜萬鐵路長鷹壩隧道在隧道主體工程完工后通過對隧底及周邊探測發現的隧底大型隱伏溶洞[4]。

圖1 長鷹壩隧道隧底溶洞DK238+800橫斷面

3 超前預報中應注意的幾個問題

通過宜萬鐵路34座高風險巖溶隧道長達近6年的超前預報工作,我們認為以下一些問題值得注意和商討。

3.1 超前預報應針對的主要地質問題

首先,超前預報只應用于復雜隧道的風險地段,并針對具體的地質問題進行,忌諱沒有重點的全面采用,才能在規避工程風險的同時保證工程進度,降低工程造價。超前地質預報主要解決3個方面的地質問題[7]：

①對施工前方具有大規模突水突泥地質災害不良地質體的規模和位置進行探測,并對有可能形成的地質災害進行預警,主要針對區域性的導水、佇水構造和位于地下水水平循環帶中的大型溶洞。圖2為宜萬鐵路別巖槽隧道在DK406+422處揭示的大型溶洞,溶洞揭示時的瞬間突水達30 km3。

②在施工揭示大型不良地質體后尋找可以繞行通過的地段。圖3為宜萬鐵路云霧山隧道在DK247+560揭示大型溶洞后,根據超前預報資料確定的左繞方案,順利地通過溶洞地段,為繼續掘進和溶洞整治贏得了時間。

圖2 別巖槽+422突水后的溶腔實測橫斷面

圖3 DK247+562～DK247+445段溶腔平面形態

③要查明隧底和周邊的大型隱伏不良地質體(如圖1),保證隧道的后期施工和運營安全。

3.2 超前預報應采用綜合探測手段

在目前的技術條件下,超前預報的主要探測手段是物探和鉆探。物探是一種間接的探測手段,探測效果受到場地條件、施工環境和方法本身多解性的影響及分辨率的限制；而鉆探由于需要長時間占用工作面而不能大量采用,限制了其發現不良地質體的能力；這就需要采取綜合的超前探測手段,才能保證既能準確發現可以造成地質災害的不良地質體,又盡可能少的占用工作面。在宜萬鐵路的超前預報工作中,通過不斷的總結,得出了物探與鉆探相結合、長距離探測與短距離探測相結合的綜合探測方法[7],保證了復雜巖溶隧道的施工安全。其中長距離探測的物探方法主要是地震反射波法,發現了施工中揭示的30%的不良地質體；短距離探測方法主要為超長炮孔,約60%的不良地質體被其提前發現。

圖4 不同震源在硬巖上擊發所形成的功率譜

3.3 地震反射波法的分辨率

地質雷達受限于隧道工作面的場地條件,且探測距離短。目前,能用于隧道超前預報、并能根據時距關系進行定量解釋的方法只有地震反射波法。而地震反射法的分辨率受限于地震波在地層中的傳播速度和震源在巖體上擊發的振動頻帶,圖4是不同的激振方式在硬巖上擊發所形成的功率譜,其中圖4(a)為炸藥爆炸的功率譜,圖4(b)為錘擊擊發的功率譜,圖4(c)為超磁震源擊發的功率譜[4]。從圖4中可發現,超磁震源擊發的頻帶寬度最大,頻帶上限達到600 Hz左右,炸藥和錘擊擊發的頻帶寬度近似。以超磁震源為例,取600 Hz的頻帶上限,假定硬巖的彈性波速度為5 km/s,則根據取樣定理計算出地震反射法的最高分辨率應為2.1 m。也就是說,采用地震反射法進行超前探測,能被其發現的不良地質體規模至少在2 m左右[8-10]。

3.4 超前預報結果不能作為隧道圍巖變更的依據

在隧道超前預報工作中,無論是施工方還是建設方都希望能根據超前預報的結果進行隧道圍巖的變更,就目前的超前預報技術水平來說,這一要求是不現實的。應該說鉆探結果由于其直觀性,可以作為圍巖變更的依據,但實際操作過程中,為了盡可能少的占用工作面,除特殊情況外,都是采用不取芯鉆探,導致鉆探結果不能對前方圍巖變化情況做出直接判斷。彈性波速度參數雖然與巖體的力學特征有直接的關系,可以根據速度參數劃分巖體的圍巖級別,但反射法通過反演計算得出的彈性波速度不是巖體的真速度,這是因為在施工過程中,為了隧道壁的穩定和安全,一般都采用了支撐和掛網噴護等措施,這時所接收到的地震波初至,不是震源到拾震器間的直達波,而是沿支撐面滑行的折射波。在宜萬鐵路的大型溶洞充填物中,所測得的直達波速度都達到了6～7 km/s,這都是沿支撐面滑行的折射波速度,用這個速度作為地震反演的初速度不可能獲得巖體的真速度。因此,超前預報資料不應該也不可能進行隧道圍巖級別定[8]。

3.5 有關超前預報結果的時效性問題

超前預報的目的是要即時發現工作面前方的不良地質體,保證施工安全,因此對超前預報資料的時效性要求甚高。越是具有施工風險的預報結果,其成果的提交越應及時,一般應在超前探測工作結束后一個開挖循環的時間段內提交資料,以規避施工風險。如果不能及時提交,則超前預報資料就失去了規避風險的意義。

4 結束語

超前地質預報是施工地質的一部分,與施工地質的區別就在于超前預報的重點是發現問題,并對其可能造成的地質災害提出預警,而施工地質重點是揭示問題之后,查清該問題段的工程地質特性。以上有關問題的討論,是基于宜萬鐵路復雜巖溶隧道進行的,不一定具有普遍性,僅供超前預報同行在類似地質條件下進行超前預報工作時參考。

[1]鐵道部宜萬鐵路指揮部 宜萬鐵路復雜巖溶隧道施工地質細則[S]

[2]顧湘生.宜萬鐵路深埋復雜巖溶隧道綜合勘察與整治技術研究[R].武漢：中鐵第四勘察設計院,2009

[3]顧湘生.復雜巖溶隧道施工地質超前探測成套技術研究[R].武漢：中鐵第四勘察設計院,2010

[4]李越興.地震反射波法在宜萬鐵路巖溶探中的應用[J].工程地球物理學報,2007(2)

[5]鐵建設[2008]105號 鐵路隧道超前地質預報技術指南[S]

[6]鄧誼明.八字嶺隧道牛鼻子暗河示蹤試驗成果分析[R].鐵道勘察,2007(3)

[7]曹哲明.超前預報在隧道施工中的應用[J].鐵道勘察,2007(3)

[8]曹哲明.TSP的超前預報效果和存在問題[J].工程物探,2005(3)

[9]肖樹安.復雜地質條件下的隧道地質超前探測技術[J].現代隧道技術,2004(增刊)

[10]趙 勇.TSP超前地質預報系統在隧道工程中的應用[J].鐵道建筑技術,2003(5)