綜合超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)方法在嵐谷斜井隧道工程中的應(yīng)用

王孝平

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176）

綜合超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)方法在嵐谷斜井隧道工程中的應(yīng)用

王孝平

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176）

在探討6種隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用TGP206、地質(zhì)雷達(dá)和紅外探水法，預(yù)報(bào)嵐谷斜井隧道工程中的不良地質(zhì)。結(jié)果表明，綜合隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，能提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和精度，能有效地減少事故，確保施工安全。

隧道工程；地質(zhì)預(yù)報(bào)；綜合；嵐谷斜井

1 引言

隧道工程的地質(zhì)調(diào)查工作，在勘測(cè)階段往往只能完成其中一部分，只能起到定性的或局部定量的評(píng)價(jià)，還有一部分地質(zhì)工作，須在隧道施工過(guò)程中完成，而在隧道施工過(guò)程中有可能出現(xiàn)諸如斷層破碎帶、富水區(qū)、溶洞、煤層采空區(qū)、軟弱夾層帶等地質(zhì)災(zāi)害，采用單一的超前預(yù)報(bào)方法在準(zhǔn)確性方面并非十分可靠。而綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)則是結(jié)合各種超前預(yù)報(bào)方法的優(yōu)點(diǎn)，使各種方法相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，由此建立起“地質(zhì)—物探—鉆探”隧道施工超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)指導(dǎo)思想，即地質(zhì)調(diào)查與勘探結(jié)合、物探與鉆探結(jié)合、長(zhǎng)距離與短距離相結(jié)合、地面與地下相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)的指導(dǎo)思想，以此來(lái)提高超前預(yù)報(bào)的精度。有了準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果才能及時(shí)對(duì)先前施工技術(shù)方案進(jìn)行補(bǔ)充或做出變更，以確保施工人員的生命安全。

2 方法及原理

2.1 地面地質(zhì)調(diào)查法

地面地質(zhì)調(diào)查法是通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)單位提交給施工單位兩種重要的施工圖紙，隧道地質(zhì)平面圖、隧道地質(zhì)剖面圖深層研究的基礎(chǔ)上，實(shí)地地勘與分析工程地質(zhì)條件，了解隧道所處地段的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，推斷前方的地質(zhì)情況。調(diào)查的內(nèi)容包括地層與巖性的產(chǎn)出特征、斷裂構(gòu)造與節(jié)理的發(fā)育規(guī)律、巖溶帶發(fā)育的部位、走向、形態(tài)等。這種預(yù)報(bào)方法在隧道埋深較淺、構(gòu)造不太復(fù)雜的情況下有很高的準(zhǔn)確性，但是在構(gòu)造比較復(fù)雜地區(qū)和隧道深埋較大的情況下，該方法工作難度較大，準(zhǔn)確性一般［1］。

2.2 掌子面編錄法

掌子面地質(zhì)調(diào)查法即在隧道每個(gè)施工循環(huán)過(guò)程中，爆破作業(yè)和出碴后，對(duì)隧道新鮮的掌子面進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)素描。掌子面素描的主要內(nèi)容包括巖性、產(chǎn)狀、巖體結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙情況、風(fēng)化卸荷特征、地下水特征、圍巖變形破壞特征等。通過(guò)對(duì)掌子面進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)素描，可以真實(shí)而準(zhǔn)確的反映掌子面工程地質(zhì)情況，從而對(duì)下一步的施工進(jìn)行正確的指導(dǎo)［4］。

2.3 超前水平鉆探法

鉆探法根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造情況分深孔長(zhǎng)距離鉆探、中距離鉆探和淺孔短距離鉆探三種。超前水平鉆孔法是在隧道掌子面進(jìn)行超前水平鉆探，通過(guò)鉆進(jìn)速度測(cè)試、巖芯采取率統(tǒng)計(jì)、鉆孔巖芯鑒定等手段來(lái)確定掌子面前方地層的展布、地層巖石的軟硬程度、巖體完整性及可能存在的斷層、孔洞的分布位置。該方法屬于直接探測(cè)法，不足之處在于速度慢，影響施工，遇到水體或瓦斯突出等災(zāi)害時(shí)會(huì)造成危害，而且其探測(cè)結(jié)果只是一孔之見(jiàn)，難以形成面的概念。

2.4 TGP206工作原理方法

TGP206隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)利用在大于波長(zhǎng)的物性界面上產(chǎn)生地震反射波和利用小于波長(zhǎng)的物性界面上產(chǎn)生繞射波的原理，進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。兩種聲阻抗（介質(zhì)速度與密度的乘積）存在差異的介質(zhì)之間構(gòu)成的面為物性界面。工作原理如圖1所示［6］。

圖1 TGP工作原理示意圖［2］Fig.1 Scheme of TGP operation principle

探測(cè)時(shí)采用黃油耦合，定向安置孔中三分量檢波器，記錄檢波器孔、距離檢波器最近的炮孔和隧道掌子面的里程樁號(hào)，以及各炮孔間的距離，距掌子面5m處開(kāi)始布孔，炮孔布置在與主要構(gòu)造面夾角小的一側(cè)洞壁上。這樣布置的目的有利于保證同側(cè)檢波器接收的地震回波路徑為射線條件，因此應(yīng)在與主要構(gòu)造面夾角小的一側(cè)洞壁上從里向外布置24個(gè)炮孔，孔徑為40mm，炮孔間距2m，炮孔高度1.1m，深度為1.5m，傾角約為10°。然后在距第24爆破炮20m處左右兩側(cè)各布置檢波器接收孔，孔徑為50mm，深度為5m。爆破孔藥量一般控制在50g，距掌子面最近的5個(gè)炮孔炸藥量設(shè)為75g，在孔中灌滿(mǎn)水的條件下激發(fā)，按序依次起爆和進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。并需對(duì)炮孔布置段的隧道圍巖進(jìn)行描述。如圖2所示。

圖2 TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)炮孔布置圖Fig.2 Blasthole layout for TGP prediction of tunnel geology

2.5 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)GPR）是一種基于地下介質(zhì)的電性差異對(duì)地下介質(zhì)或物體內(nèi)不可見(jiàn)的目標(biāo)或界面進(jìn)行定位的電磁技術(shù)。它通過(guò)發(fā)射天線將高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式定向送入地下 經(jīng)存在電性差異的地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，被接收天線所接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性特征及幾何形態(tài)而變化。故通過(guò)對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置及結(jié)構(gòu)，可探測(cè)確定掌子面前方構(gòu)造斷裂、軟弱夾層、巖溶洞穴等的分布位置以及探測(cè)確定隧道洞周以外巖溶洞穴的分布位置。工作原理如圖3所示［3］。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理圖Fig.3 Principle sscheme of geological radar detecting

2.6 紅外探測(cè)法

由于分子的振動(dòng)，地質(zhì)體每時(shí)每刻都在由內(nèi)部向外部發(fā)射紅外輻射，并形成紅外輻射場(chǎng)。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體由內(nèi)部向外部發(fā)射紅外輻射時(shí)，必然會(huì)把地質(zhì)體內(nèi)部的地質(zhì)信息，以紅外電磁場(chǎng)的形式傳遞出來(lái)。當(dāng)隧道前方和外圍介質(zhì)相對(duì)比較均勻，且不存在隱伏災(zāi)害源時(shí)，沿隧道走向分別對(duì)拱頂、底板、左邊墻、右邊墻向外進(jìn)行探測(cè)，所獲得的紅外探測(cè)曲線，具有正常場(chǎng)特征。當(dāng)隧道斷面前方或隧道外圍任一空間部位存在隱伏災(zāi)害源時(shí)，隱伏災(zāi)害源產(chǎn)生的輻射場(chǎng)就一定會(huì)迭加到正常場(chǎng)上，使正常場(chǎng)中的某一段曲線發(fā)生畸變，畸變段稱(chēng)作紅外異常。因此，紅外探測(cè)就是根據(jù)紅外輻射場(chǎng)曲線的異常來(lái)確定隱伏的災(zāi)害源。工作示意圖如圖4所示。［5］

圖4 紅外探水儀示意圖［7］Fig.4 Scheme of infrared water detector

3 工程概況

嵐谷斜井該區(qū)域內(nèi)總體構(gòu)造主要為新華夏系的構(gòu)造形跡，主要由一組走向近于南北逐漸向北東向偏轉(zhuǎn)的扭性斷裂擠壓帶和長(zhǎng)軸呈北東向的大型花崗巖侵入體表現(xiàn)最為清楚，為閩西北隆起帶并最早出露海面，遭受強(qiáng)烈的侵蝕和剝蝕。晚古生代發(fā)生加里東運(yùn)動(dòng)，中生代三疊系紀(jì)發(fā)生印支運(yùn)動(dòng)，造成山脈隆起帶兩翼產(chǎn)生一系列北東向拗陷。受區(qū)域構(gòu)造的影響，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖體垂直節(jié)理，裂隙弱發(fā)育，山間沖溝多形成節(jié)理裂隙密集帶。

4 工程實(shí)例

在嵐谷斜井工程實(shí)例中，地質(zhì)調(diào)查顯示并無(wú)巖溶發(fā)育，主要施工地質(zhì)問(wèn)題為軟弱夾層、斷層破碎帶、局部涌水。據(jù)此，主要采用TGP、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)以及超前炮孔的綜合超前預(yù)報(bào)方法。本次預(yù)報(bào)范圍為XK1＋022～XK0＋872，全長(zhǎng)150m。

4.1 TGP206的應(yīng)用

TGP對(duì)波形圖的分析應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：

①正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層。②若S波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層含水。③左右洞壁對(duì)比，以激發(fā)和接收在同一側(cè)的資料為主的原則。④縱橫波資料對(duì)比，以縱波資料為主的原則。

圖5 XK1＋022～XK0＋872成果圖Fig.5 Results of XK1＋022～XK0＋872

通過(guò)對(duì)成果圖圖5的分析，XK1＋010～XK0＋970處縱波波速明顯下降，因此巖體完整性降低，破碎程度增加；而在XK0＋970～XK0＋930處，縱波明顯上升，因此巖體完整性開(kāi)始變得較好但是橫波下降較快因此巖層比較富水。設(shè)計(jì)圖紙中XK1＋500～XK0＋600處巖體完整，圍巖級(jí)別是Ⅱ級(jí)節(jié)理裂隙不發(fā)育，地下水貧乏。施工事實(shí)證明了此次超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確無(wú)誤性，鑒于該段巖層變化較大且之前與設(shè)計(jì)圖紙有較大出入因此加強(qiáng)對(duì)該段的預(yù)測(cè)并在掌子面里程為XK0＋916處預(yù)測(cè)又進(jìn)行一次TGP超前預(yù)報(bào)，成果圖見(jiàn)圖6、圖7、圖8所示。

圖6 XK0＋916～XK0＋816成果圖Fig.6 Results of XK0＋916～XK0＋816

圖7 XK0＋916～XK0＋816段3D掃描圖Fig.7 3Dscanning of XK0＋916～XK0＋816

綜合分析結(jié)果為在XK0＋890～860范圍存在斷層構(gòu)造帶；斷層構(gòu)造帶及影響帶在隧道的左右兩側(cè)分布不一；在XK0＋890～860范圍可見(jiàn)橫波反射比縱波反射強(qiáng)，富水的反映；根據(jù)橫斷面掃描圖上均可見(jiàn)在掌子面后存在一條裂隙密集帶，寬度為5 m左右，極有可能與構(gòu)造帶連通，發(fā)生突水事件。因此加強(qiáng)對(duì)該段進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)以及紅外探水的超預(yù)報(bào)。

4.2 地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用

預(yù)報(bào)里程范圍XK0＋916～XK0＋886（即預(yù)報(bào)隧道掌子面前方30m），圖9為掌子面處波形圖。

圖8 XK0＋916～XK0＋816段參數(shù)圖Fig.8 Parameters of XK0＋916～XK0＋816

圖9 掌子面XK0＋916處的雷達(dá)波形圖Fig.9 Radar oscillogram of the working face at XK0＋916

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖圍巖揭露的實(shí)際情況，結(jié)合雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，綜合分析得出以下結(jié)論：掌子面前方XK0＋916～XK0＋886范圍內(nèi)，圍巖局部節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。其中在掌子面右前方6m范圍內(nèi)，在XK0＋901～XK0＋896以及XK0＋892～XK0＋886段節(jié)理裂隙相對(duì)發(fā)育，巖體相對(duì)破碎，發(fā)育一定量的裂隙水，圍巖較易塌落掉塊，穩(wěn)定性稍差。在施工過(guò)程中注意控制好施工進(jìn)度，及時(shí)支護(hù)和防排水，建議按Ⅲ＋級(jí)圍巖施工。

4.3 紅外探水的應(yīng)用

本次預(yù)報(bào)嵐谷斜井掌子面里程為XK0＋916，紅外探水預(yù)報(bào)距離為30m，故本次報(bào)告探測(cè)范圍為XK0＋916～XK0＋886段。成果圖如圖10所示。

圖10 紅外探測(cè)曲線圖Fig.10 Curve of infra water detecting

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，掌子面微弱濕潤(rùn)。由紅外探測(cè)儀測(cè)定的數(shù)據(jù)看，掌子面紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)的差值小于安全值10，但是紅外探測(cè)曲線在一個(gè)較大的范圍內(nèi)波動(dòng)，可以推斷前方5m范圍內(nèi)紅外輻射場(chǎng)局部異常，局部發(fā)育一定量裂隙水，有出現(xiàn)一定量的涌水。在施工過(guò)程中應(yīng)做好安全防范措施，確保施工安全。

4.4 綜合預(yù)測(cè)結(jié)論

綜合TGP206、地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水的預(yù)報(bào)結(jié)果，定性判斷為掌子面前方5m處存在裂隙密集帶而且富水，水量大小尚無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，建議施工時(shí)加大超深炮孔以探測(cè)水的具體位置，以及水量的大小。XK0＋890至860范圍存在斷層構(gòu)造帶。事實(shí)證明在XK0＋911處發(fā)生突水事件，水量較大，順著超深炮孔噴射而出，因施工方根據(jù)超前預(yù)報(bào)的結(jié)果采取了相應(yīng)的減排水措施，所以并無(wú)人員傷亡事件的發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

在嵐谷斜井隧道施工過(guò)程中，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)法、TGP超前探測(cè)法及紅外探水法，以及超前鉆孔等，進(jìn)行綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，并貫穿整個(gè)隧道，使隧道施工在特殊地質(zhì)地段或不良地質(zhì)地段能夠及時(shí)采取有效的預(yù)防措施。因此，隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)對(duì)于施工的安全、經(jīng)濟(jì)有著重要意義。通過(guò)本文的研究，可得出以下結(jié)論：

（1）綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作應(yīng)作為一道工序納入施工組織設(shè)計(jì)中。特別在復(fù)雜隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，應(yīng)堅(jiān)持地質(zhì)調(diào)查與勘探結(jié)合、物探與鉆探結(jié)合、長(zhǎng)距離與短距離相結(jié)合、地面與地下相結(jié)合開(kāi)展多層次、多手段的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并貫穿整個(gè)施工過(guò)程。

（2）對(duì)于TGP來(lái)說(shuō)，采集好數(shù)據(jù)才是做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的前提，因此在現(xiàn)場(chǎng)一定要安放好檢波器并請(qǐng)施工單位配合暫停施工現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器來(lái)配合完成數(shù)據(jù)的采集。

（3）對(duì)于超前預(yù)報(bào)方法所推測(cè)出來(lái)的某些復(fù)雜、可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重工程事故的不良地段，建議提前做好防護(hù)措施并按照其可能發(fā)生的最差狀況來(lái)施工。

［1］余世根，張光武，柳海波.綜合超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)方法在椿樹(shù)埡隧道中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2010，7（3）：373－367.

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APPLYING AN INTEGRATION METHOD IN PREDICTING GEO－HAZARDS IN THE LANGU INCLINE SHAFT TUNNEL ENGINEERING

Wang Xiao－ping
（China Railway 19th Bureau Group Corporation，Beijing 100176，China）

After looking into six techniques of tunnel geology prediction，TGP206，geological radar and infrared water detection were then integrated to predict the unfavorable geology of the Langu incline shaft tunnel object.The results have proven the integration method to be capable of increasing the prediction accuracy and precision，effectively reducing accidents and ensuring construction safety.

tunnel engineering；geological prediction；integration；Langu incline shaft

U459；P642

A

1006－4362（2011）04－0078－05

2011－08－12 改回日期：2011－10－09

王孝平（1973－ ），男，高級(jí)工程師，吉林省蛟河市人，1997年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院鐵道工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，主要從事工程技術(shù)管理工作。