變質巖地區(qū)隧道超前預報技術應用研究

摘要 本文結合貴廣鐵路變質巖地區(qū)長大隧道的超前地質預報，介紹了地質調查法、隧道地震預報(TSP)法、地質雷達法及水平超前探孔等各種預報方法的原理及應用實例，構建了在變質巖地區(qū)的超前預報綜合預報體系，實踐證明該體系是成功的。

關鍵詞 超前預報 變質巖地區(qū) 綜合預報體系 應用研究

引言

隨著我國國民經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，鐵路、公路交通、水電等基礎設施迎來了建設的高峰期，隧道工程施工規(guī)模也越來越宏大，面臨的地質情況更為復雜。隧道超前地質預報技術因此應運而生，它可以提前準確預測前方的地質情況，為設計與施工單位正確選擇開挖斷面、支護設計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預防隧道涌水、突泥、突氣等可能形成的災害性事故及時提供信息，對于安全科學施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。

當前隧道超前地質預報技術主要采用物理探測方法和地質鉆探方法。物理探測方法可采用的手段主要地震波反射法、地質雷達法等。結合使用各種探測手段在許多工程實際中取得了很好的應用成果，特別是地震波反射波法及地質雷達法在巖溶地區(qū)的綜合應用，為預防隧道的涌水、突泥做出了較為精確的預測預報。變質巖作為隔水巖層，施工中并不存在大規(guī)模的突、涌水施工風險，但斷層破碎帶的賦水，也是施工中的重、難點問題。筆者結合新建貴廣鐵路某標段施工實際，重點探討隧道超前地質預報技術在變質巖地區(qū)的應用。

1 工程地質概況

貴陽至廣州線GGTJ-3標段地處貴州高原向廣西丘陵盆地過渡的斜坡地帶，為強烈切割的剝蝕、低山區(qū)，地面由西向東呈階梯狀降低，主要山峰、河谷走向與主要地質構造線一致，北東向展布的背斜寬緩形成山嶺，向斜狹窄形成河谷，為典型的隔槽式褶皺山區(qū)。山剝蝕地貌占據(jù)主導地位，在靠近分水嶺、構造影響強烈處形成尤如侵蝕地形一般的v型峽谷。出露的地層主要為前震旦系清水江組變質巖，巖性主要為粉砂質板巖、變余砂巖、凝灰質板巖等。工程區(qū)青白口系至第四系地層發(fā)育殘缺不全，且分布極不均勻。沿線地表水系發(fā)達，降水豐富，補給充足。全線地下水主要有：裂隙水(主要分布于節(jié)理、裂隙發(fā)育的基巖中)、孔隙水(松散巖類孔隙水，多為孔隙潛水)等類型。

2 一地質預報技術方法

2.1地質調查法

地質調查法是根據(jù)隧道已有勘察設計資料、地表補充地質調查資料和隧道內地質素描，通過地層對比、地層分界線及構造線地表地下相關分析、斷層要素與隧道幾何參數(shù)的相關性分析、臨近隧道內不良地質體的前兆分析等，利用常規(guī)地質理論、地質作圖和趨勢分析，推測開挖工作面前方可能揭示地質情況的一種超前地質預報方法。

2.2隧道地震預報(TSP)法

隧道地震預報(TSP)法采用回聲測量原理，利用地震波在不均勻地質體中傳播產(chǎn)生的反射波特性來預報隧洞掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質情況。地震波在巖石中以球面波形式傳播，當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來，另一部分信號透射入前方介質。反射回來的地震信號被高靈敏度的地震檢波器接收。反射信號的傳播時間和反射界面的距離成正比，故能提供一種直接的測量。反射信號的傳播速度、延遲時間、波形、強度和方向相應的不良地質體的性質和分布緊密相關的。TSP法一般能預報隧道開完前方0～150m范圍內及周圍臨近區(qū)域地質狀況，包括地層巖性界面、構造破碎帶、巖溶發(fā)育等不良地質體，確定其位置、規(guī)模及大致產(chǎn)狀。

2.3地質雷達法

地質雷達(Ground Penetrating Radar)是短距離預報的主要方法之一，它是利用電磁波束的反射來探測掌子面前方地質情況，當其工作時發(fā)射天線向地下介質定向發(fā)射一定強度的高頻短脈沖寬頻帶電磁波，電磁波遇到不同電性反射界面后振幅和相位發(fā)生變化，介質電性差異大小決定了電磁波反射的振幅強弱程度和其相位的正負。巖石破碎程度及其含水量情況是影響其電性常數(shù)的主要因素，從而根據(jù)測量結果判定掌子面前方的圍巖變化情況。

2.4水平超前探孔

超前鉆探是利用鉆機在隧道掌子面進行鉆探獲取地質信息的一種超前地質預報方法。采用隧道內安放的水平鉆機在隧道中線水平方向上鉆孔，以推斷隧道前方的地質情況。一般可根據(jù)鉆進速度的變化、鉆孔取芯編錄、鉆孔沖洗液的顏色、流量變化、氣味、巖粉、卡鉆情況、鉆桿震動情況等粗略探明巖性、巖石強度、巖體完整程度及地下水發(fā)育情況等。

3 超前地質預報體系

通過實踐，我們建立了以地質分析為基礎、物探方法為手段，宏觀預報(地質調查)、中長距離預報(地震反射波法預報)、重點預報(地質雷達及水平超前探孔)相結合的綜合預報體系，如圖1所示。

4 工程實例

4.1應用實例(1)

高興隧道全長8986.279m，是貴陽至廣州線GGTJ-3標的重要控制性工程之一，該隧道地表屬剝蝕低山巖溶峰叢地貌，地形起伏較大，地表植被主要是灌木叢，部分山體有高大喬木及松林，巖性以中厚層粉砂質板巖夾絹云母板巖為主、偶夾變余凝灰質板巖。通過地表調查，得知在DK213+900～DK210+800段地表發(fā)育兩條沖溝，巖層走向與洞線呈40°左右夾角，沖溝與洞線近平行發(fā)育，該段埋深20～70m，隧道從強風化巖體中通過，圍巖破碎。為了保證施工安全，在DK213+914掌子面里程時采用由瑞士安伯格測量技術公司自主研發(fā)的新一代超前地質預報系統(tǒng)TSP203plus超前地質預報系統(tǒng)，施做了TSP預報，經(jīng)過對采集到的數(shù)據(jù)處理分析，得出TSP預報處理成果圖(如圖2所示)。

據(jù)TSP超前地質預報系統(tǒng)探測成果來看，在DK213+914～DK213+890段巖體的各種物理力學參數(shù)都比較平穩(wěn)，沒有大的起伏，推測此段與開挖段類似，裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，圍巖級別推測為Ⅳ級；在DK213+890～DK213+814段縱波波速有明顯降低，密度及靜態(tài)楊氏模量也有顯著降低，推測此段巖體質量較差，整段裂隙發(fā)育，局部密集，巖體較破碎，局部夾泥，圍巖穩(wěn)定性差，施工中極易發(fā)生掉塊及坍塌，有滲滴水，局部或呈線狀，圍巖級別推測為V級。

實際開挖中，在DK213+900里程巖石質量逐漸轉差，巖性由中厚層狀的砂質板巖過渡為薄層狀、薄片狀呈壓碎狀的砂質板巖，局部層間夾泥，圍巖極易失穩(wěn)，多處發(fā)生了掉塊及坍塌，偶有少量的滲滴水，基本與預報情況一致，所以TSP對巖體破碎帶的定位和預報的精度是可以保證的。

4.2應用實例(2)

加會隧道全長4877.869m，地表地形起伏較大，溝谷、山地及水田均有分布，地表植被茂密，以松林、灌木居多，巖性以中厚層變余砂巖、砂質板巖為主，巖層產(chǎn)狀變化不大。通過地表調查，得知在DKl95+400～DKl95+840段地表有斷層通過，傾小樁號，傾角為75°，巖層傾大樁號，傾角20～40°，受構造影響，巖體破碎，施工中易掉塊、塌方，且有較大面積滲滴水，局部集中線狀水。而在實際施工中，在DK195+300里程巖體質量已逐步變差，為保證施工安全，在掌子面DK195+325里程時施做了TSP預報，經(jīng)過對采集到的數(shù)據(jù)的處理分析，得出TSP預報處理成果圖(如圖3所示)。

據(jù)TSP超前地質預報系統(tǒng)探測成果來看，DK195+325～DK195+390段巖體的密度、靜態(tài)楊氏模量逐步有所降低，縱橫波速比、泊松比局部有所升高，推測此段巖體裂隙及層理發(fā)育，局部頂板及兩壁可能出現(xiàn)掉塊，洞身圍巖有滲滴水情況；DK195+400～DK195+450段密度、靜態(tài)楊氏模量均顯著降低高，圍巖縱波波速也有所降低，推測此段裂隙發(fā)育，巖體擠壓較破碎，成洞條件差，施工中易掉塊、塌方，且有較大面積滲滴水，局部或有集中線狀水。

同時，為了進一步探測此段的圍巖情況，在掌子面為DK195+340、DK195+370和DK195+400里程時分別設置了超前探孔，從鉆孔編錄資料分析，DK195+340～DK195+405段鉆進中孔口返水呈深灰色，水量無明顯變化，推測巖性為薄至中厚層砂質板巖，巖體新鮮，但裂隙發(fā)育，巖體較破碎至破碎，未揭露含水裂隙及賦水層帶；DK195+405～DK195+435段鉆進中孔口返水呈灰色、灰黃色，水量局部有所增加，局部有卡鉆現(xiàn)象，判斷出此段巖體質量較差，推測已處于斷層影響帶內。

實際開挖中，在DK195+350里程圍巖已進入斷層影響帶，圍巖破碎，呈薄片狀砂質板巖，遇水崩解，多處發(fā)生小規(guī)模塌方，有線狀出水，與預報情況極為吻合。

結論

(1)地質調查在隧道超前預報中起到宏觀預報的作用，對不良地質體的預報起到先導作用，在隧道地質構造不太復雜的變質巖地區(qū)有較高的準確性。

(2)TsP超前地質預報系統(tǒng)作為新技術、新方法，對于軟弱巖層分布、斷層影響帶及破碎帶、含水情況、圍巖級別等可以進行較準確的探測和預報。

(3)超前探孔可以非常直觀地揭露鉆孔經(jīng)過部位的地層巖性、巖體完整情況、含水情況等，但其占用施工時間較長，可作為輔助預報手段。

(4)地質雷達在有明顯介電差異的洞段有良好的應用效果，但其探測易受隧洞內機械、電線、電纜等的干擾。

通過在該變質巖地區(qū)使用多種綜合的超前預報方法，證明在變質巖地區(qū)采用以地質調查法為宏觀預報指導，TSP法為常規(guī)預報手段施做中長距離預報，遇到有較大不良地質現(xiàn)象再采用超前探孔預測、驗證及地質雷達作為重點預報的綜合預報體系是成功有效的，為施工安全提供了有力保證。

參考文獻：

1 譚天元、張偉，《深埋特長隧道超前地質預報體系綜合技術研究》，水力發(fā)電，2008

2 何發(fā)亮等，《隧道地質超前預報》，成都：西南交通大學出版社，2006