鐵路隧道斷層破碎帶超前地質(zhì)綜合預(yù)報應(yīng)用
——以浦梅鐵路蓮花山隧道F14斷層預(yù)報為例

張 龍

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300251)

在鐵路勘察中，查明沿線的工程地質(zhì)條件是工程設(shè)計的基礎(chǔ)性工作[1]。但地質(zhì)條件所涉及的天然巖土體與結(jié)構(gòu)工程研究的鋼筋混凝土不同，是億萬年自然歷史的產(chǎn)物，隨環(huán)境、氣候等形成條件的不同而具有不均勻性、不確定性、復(fù)雜性[2]。隧道工程作為地下工程，在勘察設(shè)計階段，受勘察技術(shù)水平及勘察精度的影響，完全查明其工程地質(zhì)條件存在較大困難。因此，在施工階段開展超前地質(zhì)預(yù)報工作，對隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體進(jìn)行探測，為預(yù)防隧洞涌水、突泥、圍巖失穩(wěn)等可能形成的災(zāi)害性事故提供預(yù)警，成為隧道安全施工及快速掘進(jìn)的重要技術(shù)保障。目前，超前地質(zhì)預(yù)報已作為鐵路隧道施工的必要工序納入鐵路總公司質(zhì)量安全紅線管理[3-4]。

超前地質(zhì)預(yù)報工作也日益受到設(shè)計單位、施工單位、高等院校及科研院所等各方人員的重視。李金介紹了TRT技術(shù)在濟(jì)青高鐵青陽隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用，認(rèn)為該方法在硬質(zhì)巖條件下預(yù)報效果較好[5]；朱自強(qiáng)等在不良地質(zhì)體數(shù)值模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報的正演模擬研究[6]；蘇濤等探討了地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道巖溶洞穴超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[7]；薛翊國等介紹了TSP203在巖溶隧道探測中的應(yīng)用[8]；李術(shù)才等在多年超前地質(zhì)預(yù)報研究工作基礎(chǔ)上，針對TSP超前地質(zhì)預(yù)報地震波反射特性，總結(jié)了斷層破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)體在TSP探測中判釋準(zhǔn)則[10]；劉新榮等利用TSP等手段對公路隧道高壓富水區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用進(jìn)行了研究[11-12]。以上研究均取得了一定的研究成果，但在一定程度上忽視了地質(zhì)條件的復(fù)雜性，且測試手段較為單一，造成了預(yù)測結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

斷層或斷層破碎帶作為地質(zhì)上的不連續(xù)體，是隧道施工過程中最常遇見的地質(zhì)構(gòu)造之一，會不同程度地破壞巖體的完整性和連續(xù)性，降低圍巖強(qiáng)度。研究表明，塌方、突水和涌泥等洞內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害多與斷層及其破碎帶有關(guān)[13]。以浦梅鐵路蓮花山隧道F14斷層預(yù)報為例，對大型斷層破碎帶超前地質(zhì)綜合預(yù)報應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

1 超前地質(zhì)綜合預(yù)報工作體系

主要遵循以現(xiàn)有地質(zhì)資料分析及地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，長短距離物探方法為手段，超前地質(zhì)鉆探+加深炮孔驗證，對多手段預(yù)報方法結(jié)果進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而得出預(yù)報結(jié)論的工作體系[14]。

采用的主要方法有以下幾類。

(1)地質(zhì)調(diào)查法

主要為隧道地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查，洞內(nèi)掌子面地質(zhì)素描。

(2)物探法

主要為地震波反射法(TSP)、地質(zhì)雷達(dá)探測(GRP)等。

(3)超前鉆探法

主要包括超前地質(zhì)鉆探、加深炮孔探測。

2 工程概況及方案設(shè)計

2.1 工程概況

蓮花山隧道是浦梅鐵路的控制性工程，位于福建省建寧縣均口鎮(zhèn)與寧化水茜鄉(xiāng)交界處，隧道呈北北東方向展布。該隧道穿越武夷山脈低山丘陵區(qū)，全長10.5 km，為單洞單線隧道，最大埋深380 m，設(shè)計速度為160 km/h。作為單線隧道，其施工作業(yè)面狹窄，一旦發(fā)生洞內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害，工期制約因素明顯。

2.2 工程地質(zhì)條件

(1)地層巖性

依據(jù)勘察階段大地電磁(EH-4)物探成果(如圖1所示)及地質(zhì)勘察資料[15]，在DK268+925～DK268+975段洞身范圍內(nèi)圍巖電阻率變化劇烈，推斷該處存在斷層破碎帶(記為F14)，屬蓮花山隧道的極高風(fēng)險段落。

圖1 大地電磁顯示斷層情況

本段地表以下至隧道洞身范圍內(nèi)地層巖性(如圖2所示)主要為第四系更新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土、志留系侵入花崗巖(全-弱風(fēng)化)，隧道埋深190～250 m，地下水位埋深25～30 m，洞身附近水頭高度為160～220 m。設(shè)計圍巖分段：DK269+000～DK269+025為Ⅲ級、DK268+925～DK269+000為Ⅳ級、DK269+725～DK268+925為Ⅱ級。

圖2 設(shè)計資料斷層附近地層情況

根據(jù)本線隧道超前預(yù)報實施細(xì)則，為準(zhǔn)確預(yù)報該斷層特征、圍巖情況，選擇DK268+725～DK269+025段(共300 m)進(jìn)行超前地質(zhì)綜合預(yù)報。

(2)水文地質(zhì)條件

地表以下至隧道洞身范圍內(nèi)地下水主要為構(gòu)造裂隙水、基巖裂隙水，水源補(bǔ)給的主要來源為大氣降雨入滲。基巖裂隙水主要賦存于花崗巖的強(qiáng)、弱風(fēng)化層節(jié)理裂隙帶中，此類地下水的分布隨巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育程度的不同而異，賦水性也極不均勻，且受大氣降水入滲補(bǔ)給影響，動態(tài)變幅隨季節(jié)變化較明顯。構(gòu)造裂隙水主要分布于斷裂破碎帶內(nèi)，斷裂帶及其影響帶一般節(jié)理裂隙較發(fā)育，有利于大氣降水沿節(jié)理裂隙滲透。

2.3 超前預(yù)報方案

根據(jù)設(shè)計階段地質(zhì)勘察資料，除F14斷層外， DK268+725～DK269+025段地質(zhì)條件較簡單，其圍巖分級見表1。超前地質(zhì)預(yù)報方案需視現(xiàn)場圍巖地質(zhì)條件的變化而進(jìn)行動態(tài)設(shè)計。

表1 超前預(yù)報方案設(shè)計

3 超前地質(zhì)綜合預(yù)報應(yīng)用及效果分析

3.1 DK268+900～DK269+025段

(1)超前地質(zhì)預(yù)報情況

TSP探測及地質(zhì)調(diào)查顯示，DK 268+900～DK 269+030范圍測試情況如圖3所示。

圖3 波速、泊松比、模量、縱視圖測試情況

由圖3可知，該段縱波波速較高，波速為5224～5875m/s，泊松比呈緩慢變化，為0.15～0.27，縱視圖情況與波速情況基本一致。因此，可認(rèn)為該段圍巖巖質(zhì)較硬，巖體較完整，局部裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較好。

DK268+925～DK269+000段雷達(dá)測試結(jié)果如圖4所示，未見明顯異常。

圖4 DK269+000～DK268+925段雷達(dá)測試示例(單位：m)

(2)開挖揭示情況

根據(jù)DK268+900～DK269+025段的隧道開挖情況，如圖5所示，顯示隧道圍巖為肉紅色夾青灰色弱風(fēng)化花崗巖，掌子面有滲滴水，無其他明顯異常，故認(rèn)為該處圍巖基本能達(dá)到Ⅲ級。

圖5 DK268+940掌子面開挖圍巖地質(zhì)情況

3.2 DK268+725～DK268+900段

(1) 超前地質(zhì)預(yù)報情況

基于前一段無明顯異常，在開挖至DK268+910掌子面時，按原設(shè)計開展了DK268+910～DK268+791段TSP測試工作。測試情況如圖6所示。

圖6 波速、泊松比、模量、縱視圖測試情況

由圖6可知，該段圍巖縱波波速較高，波速為5 029～5 680 m/s、泊松比、楊氏模量整體平穩(wěn)，泊松比為0.12～0.2，楊氏模量為72～80 GPa；縱視圖情況與波速等情況基本一致，推測圍巖整體情況較好。

如圖6所示，兩處豎線間(DK268+822～DK268+807段)較前后巖體橫波波速下降幅度較大(由3 320 m/s降至3 140 m/s)，泊松比顯著增大(由0.2升至0.28)，推測該段圍巖含水量大幅上升。

針對異常情況，根據(jù)超前地質(zhì)綜合預(yù)報動態(tài)設(shè)計理念，對DK268+825段采用地質(zhì)雷達(dá)探測，同時為提高準(zhǔn)確性，增加了TSP測試疊加長度， TSP測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 波速、泊松比、模量、縱視圖測試情況

由圖7可知，該段縱波波速在DK268+800～820段較低，波速為3 436～3 922 m/s；橫波波速在DK268+800～820段及DK268+758～782段較低，波速分別為2 386～2 477 m/s、2 492～2 516 m/s；泊松比在該段均處于較高值，為0.2～0.3；縱視圖顯示，圍巖整體波速偏低，反射界面較多，與波速等情況基本一致。經(jīng)初步分析，DK268+780～820段可能為斷層破碎帶，DK268+760～780段為斷層影響帶，DK268+760掌子面以前巖體較完整。

由圖8可知，雷達(dá)測試反射界面密集，同相軸連續(xù)性差，且偏移或錯斷較多，低頻反射能量較強(qiáng)。推斷該處圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，穩(wěn)定性差，易掉塊，易塌方，地下水發(fā)育。

圖8 DK268+825～805段雷達(dá)測試示例

根據(jù)以上物探測試結(jié)果，認(rèn)為有必要實施超前地質(zhì)鉆探取芯，以驗證前方圍巖地質(zhì)情況。故在掌子面設(shè)計水平鉆，分別位于DK268+825掌子面中線右1.5 m、左1.0 m，DK268+830.6右邊墻，分布情況如圖9所示。

圖9 水平鉆情況示意(單位：m)

①水平鉆一：鉆探孔深18 m，根據(jù)取芯結(jié)果，0～2.6 m巖芯較破碎，2.6～6 m見斷層泥夾層，6～18 m巖芯破碎，因鉆機(jī)功率原因，斷層破碎帶未鉆穿，如圖10所示。

圖10 水平鉆一取芯情況

②水平鉆二：取芯22 m，揭示0～6 m巖芯較破碎，6～9 m見泥質(zhì)夾層，9～22 m巖芯破碎，破碎帶未鉆穿。

③水平鉆三：取芯19 m，揭示0～2.4 m巖芯較破碎，2.4～6 m見泥質(zhì)夾層，6～18 m巖芯破碎，18～19 m巖芯較完整。

對以上物探測試、超前水平鉆資料進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為DK268+780～825段處于F14斷層破碎帶，DK268+760～780段受斷層影響，節(jié)理裂隙帶較發(fā)育，DK268+760以前圍巖巖體較完整。因此，建議 DK268+780～825段按Ⅴ級圍巖考慮，DK268+760～780段按Ⅳ級圍巖考慮，DK268+760以前一定范圍按Ⅲ級圍巖考慮。

(2)開挖情況

根據(jù)DK268+825～900段開挖情況，揭示隧道該段圍巖巖體完整，掌子面為青灰色夾肉紅色弱風(fēng)化花崗巖，掌子面有滲滴水，未見其他異常情況。

根據(jù)隧道DK268+775～825段開挖情況，開挖至DK268+822時，隧道掌子面發(fā)生涌水，水流呈股狀涌出，最高出水量達(dá)921 m3/h，經(jīng)過抽排水后，穩(wěn)定出水量為100 m3/h左右。分析表明，斷層破碎帶儲存的大量構(gòu)造裂隙水釋放完后，基巖裂隙水水量較穩(wěn)定，即基巖裂隙水水量約為100 m3/h。

開挖揭示，DK268+775～825段(如圖11、圖12)掌子面呈黃褐色-棕紅色，全-強(qiáng)風(fēng)化，部分段落夾泥質(zhì)充填，節(jié)理裂隙發(fā)育，隧道洞身范圍處于斷層破碎帶，這與超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)論基本相符。根據(jù)圍巖情況及綜合預(yù)報結(jié)果確定圍巖級別：DK268+775～825段為Ⅴ級，DK268+760～775段變更為Ⅳ級，DK268+725～760段按原設(shè)計。最終采用超前注漿及管棚支護(hù)等措施順利通過該斷層破碎帶。

圖12 DK268+795掌子面及右邊墻開挖圍巖情況

根據(jù)DK268+725～775段開挖情況，揭示隧道該段圍巖巖體較完整，掌子面為青灰色夾肉紅色弱風(fēng)化花崗巖，掌子面有線狀滴水-滲滴水，僅在DK268+760～775段節(jié)理相對發(fā)育，其他段基本無異常，最終按原設(shè)計順利通過。

3.3 小結(jié)

上述情況表明，DK268+775～825段F14斷層屬典型的大型斷層破碎帶，具有寬度大、節(jié)理裂隙發(fā)育、地下水豐富等特征。斷層破碎帶作為不規(guī)則、不連續(xù)的地質(zhì)體，在地表有露頭時容易識別，但隱伏型斷層在地下時很難識別。在勘察階段，主要依據(jù)鉆探、物探(如大地電磁)等手段來進(jìn)行探測，但鉆探受限于孔位，一孔之見，難窺全貌；物探受隧道埋深，斷層與隧道的空間位置關(guān)系，多解性等限制，很難確定斷層破碎帶的準(zhǔn)確位置。通過地質(zhì)調(diào)查、物探遠(yuǎn)距離探測、超前鉆探近距離驗證等多手段相結(jié)合，成功克服勘察階段的困難，對該斷層位置進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)報。

4 結(jié)論

(1)采用超前地質(zhì)綜合預(yù)報能夠成功克服勘察階斷層破碎帶位置難以確定的困難，施工期間的超前地質(zhì)綜合預(yù)報工作意義重大。

(2)后續(xù)施工開挖揭示，F(xiàn)14斷層破碎帶與超前地質(zhì)綜合預(yù)報所做結(jié)論基本相符，對前方圍巖巖體破碎及地下水情況預(yù)報效果良好，為后續(xù)施工方案優(yōu)化，支護(hù)措施選擇提供了地質(zhì)依據(jù)。

(3)超前地質(zhì)預(yù)報中，積累斷層破碎帶等不良地質(zhì)解譯標(biāo)志可以促進(jìn)超前預(yù)報的發(fā)展，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，還需要地質(zhì)工作者依靠經(jīng)驗但不唯經(jīng)驗去判斷。