超前地質(zhì)預(yù)報在某隧道斷層施工中的應(yīng)用

石碧波

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064)

1 齊岳山隧道及F11斷層概況

1.1 隧道概況

齊岳山隧道位于湖北鄂西利川與重慶萬州交界地帶，是宜萬鐵路八座I級風(fēng)險隧道之一，線路里程DK361+255～DK371+783，全長10528 m，洞身最大埋深670m，全隧單面下坡，平均設(shè)計坡度14.3‰。

1.2 斷層概況

F11斷層屬區(qū)域性逆斷層，走向NE35～45°，傾角50～70°，發(fā)育在T1j4以白云巖為主的硬質(zhì)可溶巖與T2b1鈣質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r為主的軟質(zhì)非可溶巖交界部位，斷層帶由斷層角礫巖、碎裂巖、斷層泥等組成，局部可見角礫的圓化相象，并在角礫狀灰?guī)r的角礫上可見擦痕，膠結(jié)物以鈣泥質(zhì)為主，易被溶蝕，使膠結(jié)變得松散。該斷層顯示有多期活動性，規(guī)模較大，發(fā)育多條次級分支斷層。

前期綜合勘察判定隧道在DK365+110～DK365+340段通過F11斷層，貫穿隧道洞身，直達(dá)地表。斷層走向與隧道軸向大致垂直，斷層帶正常涌水量11292 m3/d，最大涌水量114632m3/d。斷層帶隧道洞身埋深260～300m。DK365+110～DK365+340段圍巖級別V～Ⅵ級。

由于F11斷層帶圍巖破碎，含水豐富，且隧道洞身相對淺埋，故對施工安全、質(zhì)量影響十分巨大。

齊岳山隧道F11斷層工程地質(zhì)縱斷面簡圖如圖1。

圖1 F11斷層帶工程地質(zhì)縱斷面

2 針對F11斷層帶的超前地質(zhì)預(yù)報措施

2.1 超前預(yù)報措施

針對F11斷層水文工程地質(zhì)條件，采取物探與鉆探相結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報措施，物探手段采用TSP203;鉆探采用水平鉆機，在隧道掌子面以一定的偏角，沿隧道軸向施作水平鉆孔，并進(jìn)行水文觀測。

2.2 超前預(yù)報原理

2.2.1 TSP203預(yù)測

預(yù)報采用瑞士安伯格公司生產(chǎn)的最新型號的TSP203 plus隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)。TSP測量系統(tǒng)是通過在掌子面后方一定距離內(nèi)的鉆孔中以微震爆破來發(fā)射信號的，爆破引發(fā)的地震波在巖體中以球面的形式向四周傳播，其中一部分向隧道前方傳播，經(jīng)隧道前方的界面反射回來，反射信號經(jīng)接受傳感器轉(zhuǎn)換成電信號并放大。從起爆到發(fā)射信號被接收的這段時間是與反射面的距離成比例的。通過反射時間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進(jìn)面的距離確定下來，同時還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便地探測出來。

采集的TSP數(shù)據(jù)，通過TSP win軟件進(jìn)行處理，獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數(shù)等一系列成果如圖2。

圖2 TSP預(yù)報原理

2.2.2 超前鉆探原理

超前鉆探是利用水平鉆機，在隧道掌子面上施作水平鉆孔，依據(jù)實際探測需要，鉆孔可以有一定的偏角，通過對典型地段取巖芯和記錄鉆進(jìn)情況(如是否卡鉆、鉆進(jìn)平穩(wěn)程度、出水部位等)，對掌子面前方及開挖輪廓線周邊地層的水文工程地質(zhì)條件進(jìn)行判定。

超前鉆探通常輔以水文觀察手段，主要是對鉆孔進(jìn)行水量、水壓的觀測，水壓可依據(jù)測量進(jìn)度選擇標(biāo)準(zhǔn)水壓表;鉆孔水量的測試一般可分三種情況。

當(dāng)鉆探完成后，若鉆孔不是滿孔流水，可以直接采用容器提水的方法進(jìn)行涌水量測試，這種情況當(dāng)涌水量≤40m3/h時，測試的誤差不大。

當(dāng)涌水量＞40m3/h，且鉆孔涌水呈股狀噴出時，可采用射程法進(jìn)行涌水量預(yù)估，估算公式如下:

式中:Q為預(yù)估涌水量(m3/h);X為鉆孔涌水水平射程(m);D為鉆孔孔口直徑(m);h為鉆孔距隧道底部高度(m);g為重力加速度(m/s2)。

當(dāng)鉆孔涌水呈霧狀噴出時，可將涌水歸槽后采用堰測法或流速儀測量水量。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 概況

選取位于隧道正洞出口DK365+333～+312段作為地質(zhì)預(yù)報段落，本段位于F11斷層帶內(nèi)。

3.2 預(yù)報情況

3.2.1 TSP203預(yù)測成果

對DK365+355～+240段進(jìn)行的TSP預(yù)報成果資料，反應(yīng)前方圍巖條件如表1。

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3.2.2 超前鉆探預(yù)測成果

圖3 掌子面鉆孔布置

采用日本RPD－150多功能快速地質(zhì)鉆機在DK365+333掌子面進(jìn)行超前鉆探，鉆孔布置如圖3。

對1#孔進(jìn)行全孔取芯，對2#孔選取典型地段取芯，鉆探過程全程跟蹤記錄，詳細(xì)描述鉆進(jìn)、涌水情況，鉆探完成后，對1#孔進(jìn)行水量、水壓測試。

鉆孔反映DK365+333～+320、DK365+315～+312附近為斷層破碎帶，呈碎石土夾黏性土狀態(tài)，成分以泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾頁巖、斷層泥;DK365+320～+315為較完整的泥灰?guī)r。

鉆孔反映DK365+333～+323段地下水弱發(fā)育，單孔水量2 m3/h;DK365+323～+315水量明顯增大，單孔水量增至28～30m3/h;DK365+315～+312水量繼續(xù)穩(wěn)定增加，終孔水量36～51 m3/h。對比鉆孔范圍的地層分布，分析水量的分布與巖性相關(guān)，即含泥量高的破碎帶富水較弱，較完整的巖性段(DK365+320～+315)富水較強。

鉆探探測地質(zhì)縱斷面如圖4。

圖4 鉆孔探測地質(zhì)斷面

對1#孔進(jìn)行水量觀測，做水量變化曲線如圖5。

圖5 鉆孔涌水量隨里程變化關(guān)系

對1#孔進(jìn)行水壓測試，測得掌子面封閉穩(wěn)定水壓為1.5MPa。

3.2 預(yù)報分析結(jié)論及施工措施建議

依據(jù)超前預(yù)報分析資料，DK365+333～+312段水文工程地質(zhì)條件如下:

(1)預(yù)報反映DK365+333～+320附近巖性破碎，地下水弱發(fā)育;DK365+320～+315附近巖性整體性稍好，地下水發(fā)育;DK365+315～+312附近巖性破碎，地下水水量進(jìn)一步增大;實測封閉水壓高達(dá)1.5MPa;

(2)整體上看，DK365+333～+312段位于F11斷層帶，圍巖均一性差，軟弱、破碎，富水，易突水突泥及發(fā)生大規(guī)模塌方;

(3)綜合地層、水文情況，建議DK365+333～+312段圍巖分級為VI級。

對DK365+333～+312段建議施工措施如下:

(1)DK365+333～+320段采用加固圈為8 m的全斷面帷幕注漿預(yù)加固;超前帷幕注漿達(dá)到設(shè)計要求后再進(jìn)行開挖，開挖揭示后根據(jù)注漿效果，局部采用襯砌外8 m徑向補注漿，以提高堵水效果;

(2)注漿方式采用分段前進(jìn)式注漿，遇到破碎帶容易造成坍孔或有大的出水時應(yīng)立即注漿封堵;

(3)注漿過程中加強對止?jié){墻及周邊圍巖的變形監(jiān)控量測，作好施工應(yīng)急預(yù)案。

［1］張民慶.圓梁山隧道高壓富水區(qū)徑向注漿技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2004，24(5):21 －28