綜合超前地質(zhì)預(yù)報在隧道施工中的應(yīng)用探討

王利偉，徐永明

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，山區(qū)長大、深埋隧道工程數(shù)量越來越多，隧址區(qū)的工程與水文地質(zhì)條件存在很多不確定性。在隧道開挖過程中，塌方、突水、突泥時有發(fā)生，施工安全無法得到保障，財產(chǎn)損失慘重，工期無法保證，給工程造成巨大的損失。隧道超前地質(zhì)預(yù)報可以探明工作面前方一定范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，提前做好相應(yīng)防范措施，因此，隧道超前地質(zhì)預(yù)報為隧道安全施工發(fā)揮很大的作用。目前，超前地質(zhì)預(yù)報的常用方法有地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法、超前導(dǎo)坑法。而在實(shí)際預(yù)測過程中，每種方法都有局限性，甚至部分預(yù)報方法存在失真現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)報成果的誤判。因此，在預(yù)報過程中，應(yīng)根據(jù)隧道的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、地質(zhì)因素對隧道施工影響程度及誘發(fā)環(huán)境問題的程度等，對隧道分段進(jìn)行地質(zhì)復(fù)雜程度分級。隧道地質(zhì)復(fù)雜程度分級是動態(tài)變化的過程，可根據(jù)開挖過程中的超前地質(zhì)預(yù)報成果和實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。根據(jù)不同的地質(zhì)復(fù)雜程度分級，針對不同類型的地質(zhì)問題，選擇不同的方法和手段進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報。

1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法

隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法一般包括地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法和超前導(dǎo)坑法。

1.1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法包括隧道地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查、洞內(nèi)開挖工作面地質(zhì)素描和洞身地質(zhì)素描、地層分界線及構(gòu)造地下和地表相關(guān)性分析、地質(zhì)作圖等。地質(zhì)調(diào)查法是綜合預(yù)報中最基本的方法，適用于各種地質(zhì)條件下隧道的超前地質(zhì)預(yù)報。在人員選擇上，須選擇一些地質(zhì)經(jīng)驗豐富的人員，指導(dǎo)隧道超前地質(zhì)預(yù)報和隧道施工。

1.2 超前鉆探法

超前鉆探法包括超前水平鉆探、加深炮孔探測及孔內(nèi)攝影。超前水平鉆探是最直接、最直觀的一種探測手段。預(yù)測距離一般30～50 m，適用于各種地質(zhì)條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報，在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發(fā)育區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)、重大物探異常區(qū)等地質(zhì)條件復(fù)雜地段采用。由于超前水平鉆探對施工干擾較大，且成本較高，在一般地段不宜采用。

加深炮眼的預(yù)測距離為3～8 m，適用于各種地質(zhì)條件下隧道的超前地質(zhì)探測，尤其適用于巖溶區(qū)。加深炮眼對施工干擾較小，且易于操作，對于解決圍巖局部地下水發(fā)育、巖溶發(fā)育區(qū)等作用較大。在布設(shè)加深炮眼時，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)素描，易布置在破碎帶最先揭露處，巖溶區(qū)應(yīng)全斷面布置。

1.3 物探法

物探法包括彈性波反射法(地震波反射法、水平聲波剖面法、負(fù)視速度法和陸地聲納法等)、電磁波反射法(地質(zhì)雷達(dá)探測)、紅外探測、高分辨率直流電法。TSP探測為彈性波發(fā)射法中最常用的一種。TSP的探測和預(yù)報距離遠(yuǎn)，約100～200 m，對隧道隧洞施工影響很少(鉆孔和測試均在隧道隧洞側(cè)壁進(jìn)行，洞內(nèi)探測時間僅用45～60 min)，抗干擾能力強(qiáng)(除了打鉆、放炮以外，基本不受干擾)。但對于查清2 m以下的不良地質(zhì)體，探測緩傾角斷層和溶洞效果不明顯，對于小溶洞和充填性溶洞更是無法探測。地質(zhì)雷達(dá)探測距離一般不超過30 m，在可溶巖地區(qū)，多采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行巖溶探測。

1.4 超前導(dǎo)坑預(yù)報法

超前導(dǎo)坑預(yù)報法包括平行超前導(dǎo)坑法、正洞超前導(dǎo)坑法等。

不同的預(yù)報方法有不同的適用范圍，在超前地質(zhì)預(yù)報中，應(yīng)采用適合相應(yīng)地層的預(yù)測方法，對前方不良地質(zhì)體進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，指導(dǎo)隧道施工。根據(jù)預(yù)報對象的特點(diǎn)，采用幾種有效地預(yù)報手段進(jìn)行相互印證的預(yù)報方法稱為綜合超前地質(zhì)預(yù)報。綜合超前地質(zhì)預(yù)報法預(yù)測準(zhǔn)確性很高，避免了各個預(yù)報手段的缺點(diǎn)，而綜合超前地質(zhì)預(yù)報需要經(jīng)驗豐富的專業(yè)人員進(jìn)行預(yù)報方案的設(shè)計，合適的預(yù)報方法能保證預(yù)報的準(zhǔn)確性，避免采用錯誤的預(yù)測方法，從而減少對施工的影響。

2 超前地質(zhì)預(yù)報的主要內(nèi)容和工作方法

超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)包括地層巖性的預(yù)測，特別是對軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土的預(yù)測;地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)測，特別是對斷層、節(jié)理密集帶、褶皺軸等影響巖體完整性的構(gòu)造發(fā)育情況的預(yù)測;不良地質(zhì)的預(yù)測，特別是對巖溶、人為坑洞、瓦斯等發(fā)育情況的預(yù)測;地下水的預(yù)測，特別是對巖溶管道水及富水?dāng)鄬?、富水褶皺軸、富水地層中的裂隙水發(fā)育情況的預(yù)測。

實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)全面了解隧址區(qū)地質(zhì)情況，分析和掌握存在的主要工程地質(zhì)問題、主要地質(zhì)災(zāi)害隱患及其分布范圍，確定地質(zhì)復(fù)雜程度分級，確定重點(diǎn)預(yù)報地段，根據(jù)預(yù)報實(shí)施工作中掌握的地質(zhì)情況，及時調(diào)整隧道區(qū)段的地質(zhì)復(fù)雜程度分級、預(yù)報方法和技術(shù)要求。采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報時，應(yīng)將各預(yù)報手段所獲得的資料進(jìn)行綜合分析和判斷，提高預(yù)測準(zhǔn)確性。

對于斷層的預(yù)報，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、工程地質(zhì)平面圖與縱斷面圖以及必要的地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查，進(jìn)一步核實(shí)斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀、位置與規(guī)模等。采用彈性波反射法確定斷層在隧道內(nèi)的大致位置和寬度。必要時采用紅外線探測、高分辨直流電法探測斷層帶地下水的發(fā)育情況，必要時采用超前水平鉆探預(yù)報斷層的確切位置和規(guī)模、破碎帶的物質(zhì)組成及地下水的發(fā)育情況等。采用隧道內(nèi)地質(zhì)素描、加深炮眼、斷層趨勢分析等手段預(yù)測斷層的分布位置。

對于巖溶預(yù)報，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，研究隧址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律，根據(jù)隧道內(nèi)地質(zhì)素描結(jié)果，驗證、調(diào)整地質(zhì)復(fù)雜程度分級和超前地質(zhì)預(yù)報方案，根據(jù)地質(zhì)條件，可采用彈性波反射法進(jìn)行長、中長距離探測，以探明規(guī)模較大、可足以被探測的巖溶形態(tài);采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行短距離探測，以查明巖溶位置、規(guī)模和形態(tài)。根據(jù)地質(zhì)復(fù)雜程度分級、地質(zhì)素描、物探異常帶進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探預(yù)報和驗證，對富水巖溶發(fā)育地段，超前地質(zhì)鉆探必須連續(xù)重疊式進(jìn)行。巖溶區(qū)必須進(jìn)行加深炮眼探測。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 實(shí)例1:斷層預(yù)測

3.1.1 地層巖性及斷層概況

加里東期花崗巖，中—細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，巖體較完整，基巖裂隙水不發(fā)育，巖質(zhì)堅硬，為后期侵入巖。斷層與洞身處大角度相交，相交里程為DK0+940，斷層產(chǎn)狀為 320°∠75°，屬擠壓逆斷層，斷層段落圍巖地質(zhì)復(fù)雜程度為較復(fù)雜。

3.1.2 預(yù)報方案

通過TSP初步控制斷層位置，再通過地質(zhì)素描驗證TSP探測結(jié)果，結(jié)合加深炮眼探測前方軟弱層及水文情況，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)素描、加深炮眼及TSP探測報告，進(jìn)行斷層的初步判斷，必要時采用水平鉆探進(jìn)行探測。

3.1.3 方案實(shí)施

(1)TSP探測

TSP探測結(jié)果(圖1)，DK0+864～DK0+882段初步推斷為該段圍巖巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖完整性一般，巖質(zhì)較軟，地下水不發(fā)育，DK0+890～DK0+915段初步推測為該段圍巖巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水不發(fā)育，圍巖自穩(wěn)性差，易塌方。

(2)地質(zhì)素描及加深炮眼預(yù)測

在隧道開挖至DK0+850時，掌子面巖性為花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，掌子面中部見節(jié)理發(fā)育密集帶，帶寬約 0.5 m，產(chǎn)狀 350°∠80°?？紤]DK0+864～DK0+882段可能巖體破碎，結(jié)合區(qū)域資料，于掌子面連續(xù)布置6 m加深炮眼，搭接長度2 m，在隧道開挖至DK0+885時，掌子面巖性為花崗巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，在隧道右上側(cè)施作加深炮眼時，在鉆進(jìn)4 m后，風(fēng)槍鉆進(jìn)速度很快，無水，可以推斷出DK0+889處為斷層。要求施工單位改變施工工法，按V級圍巖施工。如風(fēng)槍鉆孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)有水，應(yīng)采取超前水平鉆探，排除突水、突泥后方可施工。

在隧道開挖至DK0+888時，掌子面右側(cè)揭露為斷層泥，硬塑，無水，掌子面左側(cè)為花崗巖，巖體較完整。現(xiàn)場測量斷層產(chǎn)狀為305°∠73°根據(jù)TSP分析結(jié)果，DK0+888～DK0+920為斷層破碎帶。綜合考慮，預(yù)報成果如圖2所示。

3.1.4 開挖驗證

隧道開挖揭示圍巖如下:DK0+888至DK0+918為斷層，斷層產(chǎn)狀為310°∠72°，寬度為28 m，見少量基巖裂隙水。預(yù)測斷層位置與實(shí)際位置相差2 m，基巖裂隙水預(yù)測準(zhǔn)確，預(yù)報準(zhǔn)確性滿足施工開挖的要求。

TSP探測 DK0+864～DK0+882，DK0+890～DK0+915為斷層，而開挖揭示僅DK0+888～DK0+915為斷層，單采用TSP探測結(jié)果是不可信的，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報能準(zhǔn)確的預(yù)測斷層。

圖1 TSP成果展示

圖2 預(yù)報綜合成果

3.2 實(shí)例2:巖溶預(yù)報

3.2.1 地質(zhì)特征

隧道洞身地層為寒武系灰?guī)r、泥灰?guī)r，強(qiáng)—弱風(fēng)化，薄—中層狀，巖體破碎—較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育，溶洞較發(fā)育。，同時本段隧道洞身埋深20～40 m，受地表影響較大。本段落圍巖地質(zhì)復(fù)雜程度為較復(fù)雜。

3.2.2 預(yù)報方案

本段主要為可溶巖，需探明巖溶在隧道內(nèi)的分部位置、規(guī)模、充填情況及巖溶水的發(fā)育情況。通過地質(zhì)雷達(dá)查找溶洞可能發(fā)育的位置和規(guī)模，地質(zhì)素描詳細(xì)描述溶蝕發(fā)育程度，加深炮眼驗全斷面查找溶洞。對于溶洞發(fā)育段落須通過超前水平鉆探確定前方的溶洞發(fā)育程度及充填物，排除突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，然后根據(jù)預(yù)報成果進(jìn)行超前支護(hù)，在確保施工安全的情況下，進(jìn)行隧道的開挖。

3.2.3 方案實(shí)施

(1)地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測

通過采用地質(zhì)雷達(dá)(圖3)進(jìn)行預(yù)測預(yù)報結(jié)果:DK6+003～DK5+993，灰?guī)r，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶洞發(fā)育。DK5+983～DK5+980，灰?guī)r，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶洞發(fā)育。DK5+980～DK5+975，灰?guī)r，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，溶洞弱發(fā)育。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)圖像

(2)地質(zhì)素描及加深炮眼

在隧道開挖至DK6+005時，揭示為灰?guī)r，弱風(fēng)化，巖體較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育，見少量基巖裂隙水，見輕微溶蝕現(xiàn)象。在施作加深炮眼過程中，技術(shù)人員進(jìn)行旁站，發(fā)現(xiàn)DK6+003處右上側(cè)風(fēng)槍鉆進(jìn)速度明顯加快，初步判定為溶洞。停止隧道掘進(jìn)，待通過水平鉆探驗證后，方可施工。

(3)超前水平鉆探預(yù)測

為進(jìn)一步探清溶洞的發(fā)育規(guī)模及方向，在掌子面上斷面布置3個鉆孔，鉆探顯示溶洞發(fā)育。根據(jù)鉆探結(jié)果繪制展示圖(圖4)。

圖4 地質(zhì)展示

3.2.4 開挖驗證

通過綜合預(yù)報方法，特別是超前鉆探，確定了溶腔規(guī)模大小，溶洞充填物主要為粉質(zhì)黏土及塊石，地下水不發(fā)育。因此，現(xiàn)場采取長管棚周邊注漿處理該段溶腔。

本段開挖揭示為溶洞發(fā)育強(qiáng)烈，發(fā)育走向為30°，溶洞充填物為粉質(zhì)黏土及較多塊石，見少量基巖裂隙水。與預(yù)報成果基本一致。地質(zhì)雷達(dá)DK6+003～DK5+993、DK5+983～DK5+980溶洞發(fā)育，而開挖揭示DK6+003～DK5+965段溶洞發(fā)育，且探測具體位置不準(zhǔn)確。通過地質(zhì)素描與超前水平鉆探的預(yù)報和驗證，綜合預(yù)報，對溶洞的發(fā)育進(jìn)行了準(zhǔn)確的預(yù)測。

4 結(jié)語

在綜合超前地質(zhì)預(yù)報中，關(guān)鍵是進(jìn)行預(yù)報方案的設(shè)計。首先熟悉區(qū)域地質(zhì)資料和地質(zhì)勘察報告，針對不良地質(zhì)體的特征，進(jìn)行地質(zhì)復(fù)雜程度分級，選擇合適的預(yù)報方法。對于地質(zhì)條件簡單段落，采用地質(zhì)素描和一般炮眼即可，如地質(zhì)素描時發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)采用其他預(yù)報方法。對于較復(fù)雜的斷層，采用TSP、地質(zhì)素描、加深炮眼，根據(jù)斷層的突水突泥的可能性，必要時采用超前水平鉆探。對于較復(fù)雜的溶洞，主要采用地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)素描、加深炮眼，根據(jù)溶洞發(fā)育程度，必要時采用超前水平鉆探。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報在預(yù)報過程中，有選擇的采用幾種有效的預(yù)報方法。即節(jié)省費(fèi)用、省時、又減少對施工的干擾，并能保證預(yù)報的準(zhǔn)確性及隧道安全施工。

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