淺談牡綏鐵路隧道地質(zhì)超前預(yù)測(cè)及預(yù)報(bào)施工

謝斌

摘 要：本文結(jié)合牡綏鐵路三座長(zhǎng)大隧道的具體施工實(shí)踐，就長(zhǎng)大鐵路隧道地質(zhì)超前預(yù)測(cè)及預(yù)報(bào)施工進(jìn)行了闡要闡述。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)大鐵路隧道；地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；技術(shù)控制

牡丹江至綏芬河擴(kuò)能改造工程施工Ⅳ標(biāo)段起訖里程為濱綏線DK450+500～DK470+250及濱綏線DK491+434～DK499+100，線路長(zhǎng)度約27.416km，位于黑龍江省穆棱市，東寧縣、綏芬河市境內(nèi)。第四標(biāo)段主要工程內(nèi)容包括：隧道19.815km，占正線長(zhǎng)度的72.3%，其中紅房子隧道6437m，雙豐隧道7224m，綏陽(yáng)隧道6161m；本文就隧道地質(zhì)超前預(yù)測(cè)及預(yù)報(bào)施工進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

組建地質(zhì)超前預(yù)報(bào)專業(yè)小組，進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)預(yù)報(bào)，制定不良地質(zhì)條件下的施工預(yù)案。以常規(guī)地質(zhì)綜合分析法為基礎(chǔ)，TSP203地質(zhì)超前探測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)做長(zhǎng)距離宏觀控制，地質(zhì)雷達(dá)做近距離判斷，紅外線探水儀做連續(xù)地下水探測(cè)，通過(guò)水平鉆孔等，形成綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

1 工程地質(zhì)預(yù)測(cè)法

工程地質(zhì)預(yù)測(cè)法是工程地質(zhì)技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)圖紙、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)紀(jì)錄，運(yùn)用工程經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)知識(shí)進(jìn)行分析、預(yù)報(bào)地質(zhì)的一種方法。此法的關(guān)鍵在于工程地質(zhì)工程師的經(jīng)驗(yàn)豐富和現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)的地質(zhì)紀(jì)錄和物探資料。

施工前預(yù)報(bào)：根據(jù)設(shè)計(jì)給出的隧道地質(zhì)條件說(shuō)明資料，認(rèn)真分析隧道的地質(zhì)斷面圖、平面圖，掌握隧道的地質(zhì)特點(diǎn)和水文特點(diǎn)。進(jìn)行長(zhǎng)距離宏觀預(yù)報(bào)各段隧道可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)情況。

施工常規(guī)地質(zhì)法預(yù)報(bào)：主要完成開挖面的地質(zhì)素描，地質(zhì)展開圖，并利用TSP203預(yù)報(bào)資料、雷達(dá)檢測(cè)資料、紅外線探水資料、超前鉆孔資料進(jìn)行地質(zhì)分析預(yù)報(bào)，是綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)的中樞。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)：施工準(zhǔn)備→制定預(yù)報(bào)方案→地質(zhì)分析→地質(zhì)綜合判斷→施工建議→施工方案選擇→隧道施工→地質(zhì)素描→下循環(huán)預(yù)報(bào)

施工階段地質(zhì)資料記錄：首先對(duì)已開挖地段進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，調(diào)查的主要依據(jù)為隧道開挖面地質(zhì)素描、巖石結(jié)構(gòu)面調(diào)查和涌水觀測(cè)記錄。

開挖面地質(zhì)素描內(nèi)容有：巖性、地質(zhì)年代、巖層產(chǎn)狀、軟弱夾層、巖脈穿插情況；斷層及破碎帶的形態(tài)、產(chǎn)狀、寬度、填充物特征；主要節(jié)理裂隙的形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模及相互切割關(guān)系。圍巖巖體結(jié)構(gòu)類型、完整性、圍巖的物理力學(xué)性能。

巖石結(jié)構(gòu)面調(diào)查內(nèi)容有：圍巖的巖石結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀、物理力學(xué)屬性、節(jié)理的延伸性、粗糙起伏情況、張開程度。地下水出露情況、水量大小等；地下水的分布形態(tài)、大小、位置走向等；圍巖節(jié)理內(nèi)含水情況。

地質(zhì)素描采用圖表形式形象紀(jì)錄。

施工階段前推法預(yù)測(cè)：根據(jù)開挖面地質(zhì)素描、巖石結(jié)構(gòu)面調(diào)查記錄采用前推法預(yù)測(cè)前方地質(zhì)情況，首先按1∶100的比例作出開挖面前方一定長(zhǎng)度的展開圖，逐一將開挖面地質(zhì)素描和巖石結(jié)構(gòu)面的記錄資料，按其產(chǎn)狀、節(jié)理軌跡線繪制到展示圖上，最后按其節(jié)理走向和軌跡延伸，結(jié)合TSP203的預(yù)報(bào)成果、地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)成果和超前鉆孔的鉆芯地質(zhì)資料畫出前方地質(zhì)情況。地下水地質(zhì)預(yù)測(cè)：現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)地下水做出經(jīng)驗(yàn)性預(yù)報(bào)。

當(dāng)隧道由弱可溶巖進(jìn)入強(qiáng)可溶巖的邊界部位時(shí)，可能發(fā)生涌水；突水點(diǎn)的涌水特征：一般有滲、滴水段→線狀滲水段→集中涌水段→高壓噴水段；當(dāng)隧洞由滲、滴水段進(jìn)入線狀滲水段時(shí)，作好出現(xiàn)集中涌水的準(zhǔn)備，進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的施工防治能取得較好效果；鉆孔內(nèi)出現(xiàn)渾水、噴水、地溫測(cè)值變化較大，前方可能有涌水。掌子面附近出現(xiàn)鐵錳質(zhì)富集或泥質(zhì)充填的裂隙，則表明前方有涌水的可能。

2 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

TSP203系統(tǒng)在圍巖較好地段可測(cè)出前方100～200m范圍內(nèi)的巖層分界面、巖層的物理性質(zhì)、斷層等，圍巖完整性較差時(shí)，預(yù)測(cè)范圍在50～100m之間。

TSP203作業(yè)流程：準(zhǔn)備工作→測(cè)量孔位、鉆孔→埋設(shè)傳感器→記錄孔位→連線檢查→暫停施工→爆破拾波→恢復(fù)施工、成果分析。

鉆孔：在距離工作面50米處鉆深度為1.5m的孔，布置傳感器；自工作面起，每隔1.5m鉆孔一個(gè)，鉆孔深度為1.5m，最后一個(gè)孔與傳感器的距離大于20m。所有鉆孔的高度盡可能的在同一標(biāo)高線上。鉆孔位置如圖“TSP203系統(tǒng)作業(yè)布置示意圖”所示。鉆孔完畢后，逐個(gè)測(cè)量孔的深度和傾斜度，并作好紀(jì)錄。

埋設(shè)傳感器桿：埋設(shè)傳感器前，先清孔，清除孔底虛渣，放入環(huán)氧樹脂藥卷，插入傳感器套桿，用鉆帶動(dòng)其鉆動(dòng)，保證環(huán)氧樹脂藥卷充分?jǐn)嚢?。待傳感器桿固定后，插入傳感器，傳感器方向朝向掌子面。

連線檢查：把傳感器、檢波器（電腦）、起爆器、同步器連接起來(lái)，并檢查其是否正常工作，此時(shí)起爆器與雷管斷開。

測(cè)量時(shí)間：測(cè)量時(shí)間選在施工交接班時(shí)間，要求工作面800米范圍內(nèi)停止機(jī)械作業(yè)和作業(yè)人員作業(yè)，作業(yè)前與現(xiàn)場(chǎng)施工員聯(lián)系，以確定停工時(shí)間，此時(shí)準(zhǔn)備好爆破藥卷、電雷管等。

裝藥爆破：由最里邊炮孔開始，逐個(gè)依次裝藥聯(lián)線，起爆器起爆，裝藥量根據(jù)圍巖情況，一般控制在50～80g左右，圍巖較差時(shí)，可加大，但不能超過(guò)100g。

恢復(fù)施工：爆破一結(jié)束，馬上可以恢復(fù)施工，一般停工時(shí)間在45min左右。

成果分析：采用TSP203自帶的軟件分析系統(tǒng)，剔除一些明顯的干擾波，軟件自動(dòng)分析，自動(dòng)生成圖表，反映前方圍巖的物理特性，巖層分界線、軟弱帶、斷層的位置等信息。

在本標(biāo)段施工中，TSP203系統(tǒng)按每50～100m段進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 紅外線探水

紅外線探水儀可預(yù)測(cè)掌子面前方20～30米范圍內(nèi)的地下水情況。

操作方法：進(jìn)入探測(cè)地段時(shí)，首先沿隧道一個(gè)壁，以5米點(diǎn)距用粉筆或油漆標(biāo)好探測(cè)順序號(hào)，一直標(biāo)到終點(diǎn)，或者標(biāo)到掘進(jìn)面處。

在掘進(jìn)面處，首先對(duì)斷面前方探測(cè)，在返回的路徑上，每遇到一個(gè)順序號(hào)，在隧道中央，分別用儀器的激光器打出紅色光斑，使之落在左壁中線位置、頂部中線位置、右壁中線位置、底板中線位置，分別讀取探測(cè)值，并作好紀(jì)錄。然后轉(zhuǎn)入下一序號(hào)點(diǎn)，直至全部探完。

把探測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)后，由專用軟件繪成頂板探測(cè)曲線、底板探測(cè)曲線、兩壁探測(cè)曲線。根據(jù)探測(cè)曲線可以很明了的預(yù)報(bào)出前方地下水的情況。紅外線探水儀從探測(cè)到得出分析結(jié)果非常快，且探測(cè)儀器輕便，方法簡(jiǎn)單。在本標(biāo)段施工中每20米采用紅外線探水儀探測(cè)一次，在通過(guò)富水區(qū)斷層破碎帶時(shí)，適當(dāng)加密探測(cè)頻次。

4 地質(zhì)雷達(dá)

當(dāng)TSP203系統(tǒng)預(yù)報(bào)前方有斷層、巖層破碎等不良地質(zhì)時(shí)，其規(guī)模、形態(tài)需要具體了解，可用地質(zhì)雷達(dá)實(shí)施探測(cè)。

本標(biāo)段在地下水發(fā)育地段，對(duì)隧道周壁采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，預(yù)報(bào)隧道周圍地質(zhì)形態(tài)。地質(zhì)雷達(dá)實(shí)施探測(cè)前，在平板車上搭設(shè)檢測(cè)平臺(tái)，雷達(dá)儀置于車體或平臺(tái)上，由平臺(tái)上的操作手將雷達(dá)天線觸板與所測(cè)點(diǎn)接觸，利用超聲波在不同圍巖介質(zhì)中具有不同傳播速率的原理，通過(guò)雷達(dá)接受儀接受反射波的時(shí)間差，據(jù)以分析所測(cè)部位的地質(zhì)形態(tài)。同時(shí)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行襯砌厚度的識(shí)別。

5 超前鉆孔探測(cè)

當(dāng)TSP203系統(tǒng)預(yù)報(bào)前方有斷層、破碎帶、巖層層理明顯時(shí)，采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前探孔。

用鑿巖臺(tái)架鉆孔探測(cè)鉆孔深度以30m為限，30m以內(nèi)出現(xiàn)異常情況時(shí)，按預(yù)定方案實(shí)施，鉆孔出水，安裝壓力表及水表，測(cè)定地下水的壓力和流量。

30m以內(nèi)無(wú)異常情況時(shí)，改用ZYG-150鉆機(jī)探測(cè)，繼續(xù)鉆孔，深度為100m，無(wú)異常情況，按正常程序施工，出現(xiàn)異常按預(yù)案實(shí)施并測(cè)定水壓和水量。100m以后的探測(cè)則由下一循環(huán)鉆孔探測(cè)完成。

日常的鉆孔探測(cè)：在每次鉆孔過(guò)程中，指定在拱頂、兩側(cè)拱腰、兩側(cè)邊墻腳及仰拱底部附近的1～2個(gè)輔助眼加深1～5m，依靠對(duì)鉆孔速度變化的直覺，判斷前方圍巖的變化。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)以上關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了嚴(yán)格的技術(shù)控制，牡綏鐵路紅房子、雙豐和綏陽(yáng)隧道三座長(zhǎng)大隧道的地質(zhì)超前預(yù)測(cè)及預(yù)報(bào)施工合格率100%，為隧道安全高效施工奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。