綜合超前地質預報技術在林家屋基隧道施工中的應用

許亞軍

（中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津300133）

綜合超前地質預報技術在林家屋基隧道施工中的應用

許亞軍*

（中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津300133）

在高風險隧道的施工過程中，超前地質預報工作是保證隧道施工安全的重要環節和技術手段。當前，國內外超前地質預報中均還存在很多難題。結合林家屋基隧道的施工，詳細介紹了綜合超前地質預報技術的主要內容及其在林家屋基隧道施工中的應用情況，望能夠為廣大同行提供有價值的借鑒。

高風險隧道；超前地質預報；綜合超前地質預報技術

隨著國民經濟的不斷發展以及西部大開發戰略的深入實施，公路、鐵路等交通設施的建設規模逐年擴大，其中所涉及到的隧道的長度和埋深都加大了，地質條件越來越復雜，施工的工況越來越惡劣。特別是在我國的西南地區，由于以巖溶地貌為主，在隧道的施工中經常會遇到突泥、突水及巖溶塌方等地質災害，常常會造成工期的延誤，更有甚者會造成重大的設備損失和人員傷亡。因此，為了保障隧道安全快速的施工，有效降低施工過程中地質災害的影響，準確快速地進行超前地質預報就成為了隧道施工的必然要求。

在以往的隧道超前地質預報工作中，一般是采用單一的超前地質預報方法，預報隧道工作面前方的地質信息。然而，人們通過長期大量的實踐發現，僅僅依靠單一預報方法提供的信息是非常有限的。特別是在高風險隧道中，由于地質結構復雜，地質災害頻發，單一方法不能提供全面的預報信息，可能造成地質災害的漏報和誤報。為了解決單一方法預報不全面的問題，根據預報對象的地質特點，采用2種或2種以上有效的預報手段進行預報，結論相互印證，提供更為全面的地質預報信息，這就是綜合超前地質預報。

1　林家屋基隧道概況

林家屋基隧道位于貴州省盤縣境內，是滬昆高鐵的重點工程之一。隧道起訖里程為DK925+ 435～DK931+365，全長5930m。隧址區內最高點位于隧道北側的山頂，海拔高程1780m，最低點位于隧道東側的溝谷，海拔高程1280m，相對高差500m。隧道工程地質條件復雜，集瓦斯、巖溶、斷層破碎帶、軟弱圍巖、危巖、落石于一體，屬高風險隧道。隧道洞身穿越多條斷層、節理密集帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶，施工中容易出現坍塌、涌水、突泥等安全風險，隧道涌水量大（預計隧道正常涌水量為18062m3/d，雨季最大涌水量為39239m3/d）；隧道進口至DK925+930處洞身通過龍潭組煤系地層，經測試，瓦斯壓力最高處達0.75MPa，為瓦斯突出區段，施工風險極大。

2　林家屋基隧道綜合超前地質預報施工組織

遵循超前地質預報的基本原則，針對林家屋基隧道地質復雜程度高、地質災害類型多的現狀，并結合現有各超前地質預報手段的優缺點，特此制定了林家屋基隧道的超前地質預報的施工組織方案，如下：

（1）地表調查：對隧道范圍內地形、地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件，不良地質作用等進行進一步的全面核查。

（2）洞內地質素描：對隧道全段（包括正洞和橫洞）進行地質素描。

（3）TSP超前探測：采用TSP超前探測，重點查明隧道巖體完整性、軟弱結構面、斷層破碎帶、裂隙發育帶規模、大小、發育位置。對隧道進行貫通性探測。

（4）紅外探測儀超前探測：采用紅外線探測儀對隧道前方掌子面水文地質條件進行探測，宏觀掌握掌子面前方短距離（大約30m）范圍內的富水帶位置及富水情況。

（5）地質雷達：采用地質雷達對可溶巖段、向斜核部、侵入接觸帶、軟硬巖接觸帶、斷層及其影響帶或TSP超前探測發現的異常地帶，進行短距離精確探測，精確查明巖溶裂隙發育位置、大小規模、形態、充填及富水狀況以及斷層破碎帶、裂隙發育帶位置、規模、接觸帶巖體完整性等工程地質及水文地質條件。沿線隧道均為巖溶隧道，故對各隧道均進行貫通性探測。

（6）超前地質鉆孔：對于隧道可溶巖巖溶弱發育段，采用一孔超前探孔貫通，對于巖溶中等—強烈發育及復雜地段（勘察期間發現的斷層破碎帶、褶皺地段、溝谷地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶、裂隙發育帶、巖脈出露帶及其他預報手段探測到的異常地段）必要時采用多孔探測；重點復雜地段（其他預報手段探測到的重大異常地段）采用超前地質探孔進行超前驗證探測。

（7）地質綜合分析：對全隧道進行地質素描，記錄現場揭露的地質信息，并綜合上述各種探測方法獲得的地質信息，通過綜合分析，預測預報前方工程地質及水文地質條件。

3　綜合超前地質預報在林家屋基隧道應用中的典型工程案例分析

3.1地表調查及地質素描法工程案例

調查區域為林家屋基隧道橫洞往出口里程為D1K930+186～+216，為侵蝕、溶蝕構造中山溝谷地貌，東高西低，山體高大，地形陡峭，相對高差較大。調查區域內基巖多裸露，地表上覆粉質粘土，下伏基巖為三疊系中統關嶺組一段（T2g1）泥巖夾泥灰巖，地下水類型主要為第四系松散土層孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水，水量貧乏至中等，局部較富水。該段圍巖為泥巖、泥灰巖灰巖、灰巖，弱風化，巖體整體較破碎—破碎，巖體強度5～30MPa。巖層層面不清晰，層間結合較差，巖層產狀N55°W/65°S，節理發育，主要發育兩組節理J1：N37° E/60°S；J2:N58°W/80°S，節理間距8～32cm，微張型，無充填。地下水整體不發育，局部滴滲水（圖1）。

圖1　隧道掌子面D1K930+186處地質素描

3.2TSP法工程案例

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設計的震源點（通常在隧道的左或右邊墻，大約24個炮點）用小量炸藥激發產生。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數據通過TSPwin軟件處理，可以獲取掌子面前方巖石的彈性模量、密度、泊松比、楊氏模量等參數，據此便可了解隧道工作面前方不良地質體的性質（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）、位置及規模等。預報距離一般為100～150m。

圖2　TSP203原理示意圖

在D1K930+144里程處進行的TSP203探測結果顯示（見圖2）：D1K930+144～+189段圍巖整體破碎，為軟巖夾較軟巖，軟巖為主，節理裂隙發育。其中在D1K930+147～+158及D1K930+162～+189段為溶蝕破碎帶或軟弱夾層；D1K930+189～+243段圍巖整體較破碎，局部破碎，為較軟巖夾軟巖，較軟巖為主，節理裂隙較發育，圍巖穩定性一般。其中在D1K930+ 202～+220段為軟弱夾層；D1K930+243～+264段圍巖整體較完整，圍巖強度變強，為硬巖夾較軟巖，以硬巖為主，節理裂隙較發育。其中在D1K930+245～+246段為軟弱夾層。除在D1K930+147、D1K930+189、D1K930+220、D1K930+243附近存在線狀水外，其余地段地下水整體不發育。

3.3地質雷達法工程案例

地質雷達法預報屬于短距離預報，每次預報距離為30m，搭接5m，采用瑞典MALA-X3M地質雷達探測，本次選取的案例為D1K930+186處施作的探測實例（圖3、圖4），結果顯示：該段圍巖整體破碎，巖體以軟巖夾較軟巖為主，節理發育，巖體穩定性較差。其中在D1K930+194～+200及D1K930+205～+214段為節理密集帶，且在D1K930+193附近發育一溶蝕裂隙。地下水整體不發育。

3.4紅外探測法工程案例

紅外探測法是通過分析圍巖的紅外輻射場強值來確定地下水發育情況的一種預報方法，主要是通過紅外輻射場強的值的最大差值以及波動情況來判斷地下水的發育狀況的。在D1K930+186處施作的紅外探測結果顯示：（1）掌子面巖體上均勻布置20個測點的紅外輻射場強數值最大值為322μW/cm2，最小值為315μW/cm2，差值為7μW/cm2，小于允許的安全值10μW/cm2；（2）根據現場所測左邊墻腳、左邊墻、拱頂、右邊墻、右邊墻腳、底板中線的輻射場強值（從掌子面往已開挖段每隔5m布置一個測點）繪制曲線，可以看出：往掌子面方向，紅外輻射場強值曲線起伏較小范圍內地下水整體不發育。

圖3　地質雷達剖面圖

圖4　地質解譯圖

3.5綜合預報分析結論

綜合預報分析就是根據該段所施做的地質素描、TSP、雷達、紅外探測及超前地質鉆探等結果進行相互比較、驗證和綜合，去偽存真，得到較為可靠的綜合預報結論。對本文中的D1K930+186處所施作的地質素描、TSP、地質雷達及紅外探水等預報手段進行綜合，可以得到以下的預報結論：此段30m巖體整體破碎，巖體以軟巖夾較軟巖為主，節理發育，巖體穩定性較差。其中在D1K930+194～+200段和D1K930+205～+214段為節理密集帶，且在D1K930+193附近發育一溶蝕裂隙。除在D1K930+189附近存在線狀或股狀出水外，其余地段地下水整體不發育。

4　結束語

（1）由于物探結果具有多解性，單一預報方法往往無法全面掌握隧道地質信息，采用綜合地質預報技術，可以得出較為可靠的結論，能夠大大減少誤報和漏報情況。

（2）綜合超前地質預報技術具有綜合探索性、實踐性很強的特點，以地質+物探+超前鉆孔組合的方法優化了超前地質預報的結果，消除了單一物探方法帶來的部分誤差，能更準確地對隧道施工前方不良地質體進行預報，避免盲目施工帶來突水、突泥、危巖垮塌等工程事故，提高施工效率，降低成本。

（3）在施工過程中，要根據施工揭示情況隨時動態調整施工方案，以保證施工安全。

（4）由于物探結果解譯的準確性依賴于地質工作者的經驗，因此，積累大量預報結果與開挖后揭示情況的對比資料，建立輔助預報系統數據庫是一個值得探索的方向。

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U456.3

B

1004-5716（2016）06-0191-03

2016-02-01

2016-02-03

許亞軍（1977-），男（漢族），河南濟源人，高級工程師，現從事地下工程施工監測及隧道施工超前地質預報技術工作。