綜合地質超前預報在策馬村隧道斜井探測中的應用

胡世權

(中鐵十四局集團，山東 濟南 250061)

新建太興鐵路TXXS-2標段策馬村隧道在區域地質構造上屬于古交掀斜地塊，位于以古交為中心的三角形地區，屬于五臺山塊隆的南部。其中部被晉中新裂陷的北部斷陷疊加而分割成兩部分，地塊內的地層展布為南新北老，總體向SSE緩傾。局部地段顯示一些規模較大的斷裂和褶皺，構造線方向大多呈NE向和NEE向。隧道主體穿越其南部。

隧道主體段地質構造發育，有斷層穿越洞身。斷層帶內基巖破碎，呈碎石角礫狀，巖性以白云巖和石灰巖為主，鈣泥質膠結。同時，全線地形復雜，地質條件差，前期勘察工作不可能完全探明巖體的構造、狀態、特性，特別是滑坡、斷層破碎帶和崩塌等不良地質體的位置。導致沿線隧道施工過程中經常出現突水、涌泥和塌方等安全事故，造成重大的經濟損失和人員傷亡。因此，為了保證施工安全，減輕地質災害損失，開展超前地質預報研究尤為必要。

策馬村隧道是太興鐵路線上第一長大隧道，全長6 872 m。隧道地質條件復雜，地質構造帶發育，大小斷層破碎帶穿越洞身，施工難度極大，稍有不慎，會嚴重危及施工安全。因此，本文以策馬村隧道斜井為工程背景，經過現場地質詳勘、TSP超前地質預報、地質雷達超前預報、超前地質水平鉆孔，并結合工程地質資料，對策馬村隧道斜井洞內含水或夾泥構造及斷層位置、發育情況進行了綜合地質超前預報，并開挖揭露驗證效果，以期為項目的穩步推進提供可靠保障。

1 綜合地質超前預報技術

針對地質分析原理、TSP中長距離預報、地質雷達中短距離預報與超前水平鉆孔4種預報方法的技術特點，確定了鐵路長大隧道施工綜合地質超前預報技術流程，如圖1所示。分析過程具體為:

1)分析勘察報告，局部區域地質詳勘，探明施工區域主體穿越的地層巖性、地質構造特點，重點排查洞口端出露巖體的不良地質和水文地質情況，為隧道超前地質預報提供前期準備資料。

圖1 綜合地質超前預報技術流程

2)針對主體施工段不良地質體位置，選擇合適的預報方法綜合超前預報。即先采用較準確的中、長距離TSP地震波超前預報系統進行探測［1］，探明不良地質體與掌子面的空間位置關系。當掌子面開挖至不良地質體附近時，采用地質雷達與超前水平鉆孔進行中、短距離補充預報，得到不良地質體更為精確的相關位置與巖性、水含量信息。

通過以上綜合預報流程，最終達到提高預報精度的目的，降低施工作業過程中的風險。

2 策馬村隧道斜井綜合地質超前預報

2.1 地質分析

策馬村隧道斜井開挖主體段處于奧陶系中統石灰巖與白云巖，寒武系上統白云巖、中統頁巖，太古界社堂村組片麻巖中，構造斷層發育密集，主要以強風化～全風化碎裂結構形式存在。巖體層面以水平為主，出露大部分呈碎裂鑲嵌結構，軟弱泥質夾層充填，局部大碎裂構造巖層傾角變化頻繁，有較大面積的裂隙水溢出，且地表降水易順層而下，滲入隧道，從而使隧道成為新的地下水排泄口。隧道整體施工環境復雜，地質條件差。

圖2 反射面二維視圖與預報巖體物性參數

2.2 TSP探測分析

首先采用TSP203 plus隧道地質超前預報系統［2］對策馬村隧道斜井進行了超前地質預報。震源點位于策馬村隧洞斜井右側墻，設計24炮，實際激發22炮，接收器置于策馬村隧道右邊墻內。接收器位置為K0+59.85，掌子面位置為 K0+118.00。數據采集時采用X－Y－Z三分量檢波器接收，采樣間隔62.5 μs，記錄長度451 ms(采樣數7 218)。預報距離為掌子面前方128 m(即樁號為 K0+118—K0+246)。

通過TSPwin2.0軟件進行處理，獲得地震波振動傳遞過程中穿過的前方地質巖體的物性參數，如圖2所示。

根據圖2及TSP其它預報結果，對預報段內地質情況進行闡釋，解釋結果見表1。

根據TSP探測結果，掌子面前方隨著里程的增大，巖體含水量逐漸增加，至 K0+235附近有突水涌泥的危險。其中，K0+159，K0+186附近巖體破碎，有小型構造碎裂帶發育;K0+194附近巖體破碎，可能發育有小型斷層結構。建議施工時加強超前支護和防水工作，防止塌方或突水涌泥等工程事故的發生。

表1 TSP預報解釋結果

2.3 地質雷達細部探水監測

前期TSP宏觀探測結果顯示，K0+235位置附近有突水涌泥的危險，為了詳細推斷隧道裂隙水的實際發育情況［3-4］，利用地質雷達對 K0+235段開展了一次短距離超前預報探測工作，工作天線頻率為100 MHz，采集樣本512個，隧道K0+235位置附近雷達探測結果如圖3所示。

圖3 K0+235位置附近地質雷達探測結果

分析圖3可知，K0+235位置附近為富水區域，含水量較大，以裂隙水為主。預報范圍內局部發育小型富水結構，可能導致周邊破碎巖體發生軟化，結構失穩。

2.4 超前水平鉆孔分析

根據超前水平鉆孔取樣分析結果與鉆孔沖洗液顏色變化判斷，開挖部位前方左側發育有一富水結構，右側含水量無明顯變化。巖石由較完整的灰巖逐漸變得破碎，夾泥質軟弱層，整體巖質較軟，強度變化較快。

2.5 綜合超前預報和實際開挖情況對比

經施工開挖驗證，K0+232— K0+238附近揭露一處富水結構，寬0.75 m，橫向延伸6 m，斜向下延伸，涌水量較大，靜儲水量較大，隨靜儲水釋放完，涌水量逐漸減小。

綜合宏觀地質分析、現場地質詳勘、TSP超前地質預報、地質雷達超前預報與超前水平鉆孔分析檢測結果，與實際開挖出露情況對比。結果顯示，在策馬村隧道斜井綜合超前預報技術成功預報了掌子面開挖過程中可能出現的突水、涌泥、構造斷層等不良地質情況，為隧道的安全施工和正線的順利貫通提供了強有力的幫助。

3 結論

本文對太興鐵路策馬村隧道斜井突水涌泥與斷層碎裂帶位置進行超前地質預報，由實際開挖掘進和預報結果對比分析可知，預報效果整體良好，能主動采取積極手段避免突水、涌泥不良地質情況的發生，總結起來，可得以下結論:

1)綜合地質超前預報技術首先進行隧址區詳勘，并經宏觀地質分析，探明隧道開挖部位所在區域的地質情況;然后采用中、長距離的TSP超前地質預報系統進行探測，明確不良地質體的大致空間位置與巖性特征;最后采用地質雷達并結合超前水平鉆探進行中、短距離精確預報，確定不良地質體的實際位置［5-7］。

2)含水、突泥隧道施工的安全與超前地質預報緊密相連，實際掘進開挖與預報結果對比分析的結果顯示，本文采用的綜合地質超前預報流程能更為準確地預報不良地質情況，對在建鐵路公路隧道工程具有一定的借鑒和指導意義。

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