綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在長大風(fēng)險(xiǎn)隧道中的應(yīng)用

王 勇，羅芳培

(1.中鐵二局股份有限公司，四川成都 610031;2.成都暢達(dá)通科技發(fā)展有限公司，四川成都 610041)

由于長大風(fēng)險(xiǎn)隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜性、多變性，在勘察階段要準(zhǔn)確無誤地確定隧區(qū)地質(zhì)巖體的狀態(tài)、特征，并準(zhǔn)確預(yù)測隧道施工中可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的位置、規(guī)模及性質(zhì)是十分困難的。我國自20 世紀(jì)80年代以來，在隧道施工中陸續(xù)開展了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，并逐步貫穿于隧道施工的全過程，取得了較好的效果［1］。

本文以成渝鐵路客運(yùn)專線縉云山隧道為工程背景，介紹施工階段重視和加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，建立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，最大限度地利用地質(zhì)理論和先進(jìn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，預(yù)測預(yù)報(bào)掌子面前方的地質(zhì)情況，對于安全施工、提高工效、縮短施工周期、避免事故損失具有重大意義。

1 工程概況

縉云山隧道是成渝客專中的一條長大風(fēng)險(xiǎn)隧道，位于重慶市境內(nèi)壁山～九龍坡區(qū)段，起訖里程DK275+355～DK278+530，全長3175 m。隧區(qū)屬丘陵地貌，丘槽相間，地形波狀起伏，地面高程327～637 m，相對高差20～100 m，最大埋深約300 m。隧道地處剝蝕低山地貌，地形受構(gòu)造控制。隧區(qū)位于新華夏系四川沉降帶川東褶皺帶中，隧區(qū)主體構(gòu)造為溫塘峽背斜。隧區(qū)圍巖松軟，巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，以Ⅳ和Ⅴ級圍巖為主。隧道穿越煤系地層，為低瓦斯隧道，局部有瓦斯積聚的可能，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)目的

施工階段的地質(zhì)工作，即超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)，是設(shè)計(jì)階段地質(zhì)工作的繼續(xù)。因此，施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的，是進(jìn)一步落實(shí)設(shè)計(jì)的地質(zhì)情況，修正、完善設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，以保證實(shí)施的施工方案的正確性，防止施工坍方、瓦斯突出或突涌水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案

鑒于縉云山隧道施工存在坍方、瓦斯突出等風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生將產(chǎn)生災(zāi)難性后果。因此，根據(jù)目前國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，為確?？N云山隧道的施工安全，并較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)前方不良地質(zhì)情況，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法比較科學(xué)。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，合理的采用多種預(yù)報(bào)手段，揚(yáng)長避短，相互補(bǔ)充，相互驗(yàn)證、多角度、多參數(shù)地對掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。

具體實(shí)施方法為:建立宏觀預(yù)報(bào)、長距離預(yù)報(bào)與中、短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合、地質(zhì)探測與物理探測相結(jié)合的多步預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制，構(gòu)成低瓦斯隧道施工的地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，進(jìn)行不良地質(zhì)情況的超前預(yù)報(bào)。綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的具體流程如圖1所示。

圖1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程

4 超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)“三階段”方案

4.1 宏觀預(yù)報(bào)

隧道所在區(qū)域的地質(zhì)分析和宏觀預(yù)報(bào)是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)和前提，是隧道高水平不良的施工地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)不可或缺的第一道工序。只有在地質(zhì)分析和宏觀預(yù)報(bào)的指導(dǎo)下，才能更準(zhǔn)確、更有效地實(shí)施下一步的洞體不良地質(zhì)體地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、超前鉆探、判斷和臨近預(yù)警等后續(xù)預(yù)報(bào)工作［2］。因此，在進(jìn)場施工前，指派地質(zhì)人員對設(shè)計(jì)院提交的地質(zhì)勘察資料進(jìn)行復(fù)核，必要時(shí)輔以現(xiàn)場地面調(diào)繪，對隧道的地層分界線、對地層巖性、斷層產(chǎn)狀、斷層出露位置及規(guī)模、節(jié)理裂隙發(fā)育、隧道圍巖類別作進(jìn)一步的落實(shí)，對可能涌水段等工程地質(zhì)問題進(jìn)行預(yù)測。

4.2 長距離預(yù)報(bào)

長距離預(yù)報(bào)是以宏觀預(yù)報(bào)為指導(dǎo)，以地質(zhì)分析及長距離物理探測方法相結(jié)合為手段，預(yù)測掌子面前方100～150 m范圍內(nèi)存在的巖層分界線、破碎帶和涌水突泥等不良地質(zhì)體的發(fā)育位置及規(guī)模。

4.2.1 地質(zhì)分析法

由于縉云山隧道的主體構(gòu)造為溫塘峽背斜，根據(jù)斜井超前隧道正洞所揭示的地質(zhì)情況，使用地質(zhì)分析法可推斷隧道正洞的地質(zhì)情況，并對預(yù)報(bào)段進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

4.2.2 陸地聲納法

陸地聲納法是用錘激震源以及檢波器和儀器結(jié)合，可激發(fā)和接收從10～4000 Hz 的波，然后通過分窗口帶通濾波提取不同頻段的反射波，高頻段的反射波可反映薄層和大節(jié)理等和小溶洞，低頻段的反射波可反映較大的斷層、較厚的巖脈、巖層和大溶洞，通過不同頻段反射的圖像對比，可以分辨不同的不良地質(zhì)體［3］，每次預(yù)報(bào)需0.5 h。

4.3 中短距離預(yù)報(bào)

中短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，預(yù)報(bào)掌子面前方20～50 m 范圍內(nèi)的不良地質(zhì)情況，判斷圍巖類別等。所采用的預(yù)報(bào)方法有地質(zhì)雷達(dá)法、超前鉆孔探測和加深炮孔探測。中、短距離預(yù)報(bào)是在長距離預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以預(yù)報(bào)的精度一般要超過長距離預(yù)報(bào)，特別是對不良地質(zhì)性質(zhì)的預(yù)報(bào)，對地質(zhì)災(zāi)害而言，相當(dāng)于臨災(zāi)預(yù)報(bào)。

4.3.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)能預(yù)報(bào)掌子面前方地層巖性的變化，對于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識別能力，但探測的距離較短，大約在20～30 m 之間，同時(shí)雷達(dá)記錄容易受到干擾［4］。主要考慮在接近陸地聲納法探測的異常段前方對其進(jìn)行復(fù)查和確認(rèn)，硬件采用拉脫維亞生產(chǎn)的Zond－12e 地質(zhì)雷達(dá)儀，75M 偶極非屏蔽天線，軟件采用礦大GR 雷達(dá)處理分析系統(tǒng)，每次預(yù)報(bào)需20 min。

4.3.2 超前地質(zhì)探孔(30 m，不取芯)

使用YGL－100A 型潛孔鉆機(jī)實(shí)施超前地質(zhì)鉆孔探測，鉆進(jìn)30 m 約需4 h。該鉆機(jī)可顯示和記錄鉆進(jìn)過程中即時(shí)的鉆孔深度、鉆進(jìn)速度、推進(jìn)力、轉(zhuǎn)速、扭矩、進(jìn)水量、進(jìn)水壓力、打擊能以及變化曲線［1］。現(xiàn)場技術(shù)人員對鉆進(jìn)過程進(jìn)行全程監(jiān)控，當(dāng)上述參數(shù)有異常變化時(shí)，記錄下鉆孔深度，觀察鉆孔沖洗液顏色是否變化，沖洗液水量是否增加，判斷是否遇到瓦斯地帶、破碎帶或富水帶。在接長鉆桿的間隙由現(xiàn)場技術(shù)人員采取巖粉判定前方巖體的巖性。鉆進(jìn)結(jié)束時(shí)對鉆孔涌水量和水壓進(jìn)行測量，鉆進(jìn)過程輔以拍照或攝像記錄。根據(jù)對鉆機(jī)記錄的數(shù)據(jù)和鉆進(jìn)全程監(jiān)控資料的綜合分析，得出前方圍巖的巖性和水文特征。

縉云山隧道DK275+510～DK277+405 段落范圍內(nèi)，每個(gè)斷面布設(shè)3個(gè)108 探孔，DK275+405～DK278+490 段落范圍內(nèi)，每個(gè)斷面布設(shè)1個(gè)108 探孔。探孔長度30 m 左右，相鄰探孔搭接長度5 m。隧道超前地質(zhì)探孔布置示意圖如圖2 所示。

圖2 超前地質(zhì)探孔布置示意

4.3.3 加深炮孔(5 m)

在每次開挖循環(huán)進(jìn)行爆破鉆孔施工時(shí)，若遇到超前地質(zhì)長探孔未發(fā)現(xiàn)的異常情況時(shí)，立即通過YT－28 風(fēng)鉆或鑿巖臺車等將鉆孔加深作為超前短探孔。每斷面均勻選取3個(gè)孔，探孔深度加深至5 m，并與在掌子面已存在的長探孔位置相互錯(cuò)開，通過對短探孔鉆進(jìn)中鉆進(jìn)速度、沖洗液的變化、巖粉性質(zhì)、涌水量、水壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步探明掌子面前方的工程地質(zhì)條件。

綜上所述，縉云山隧道的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法如圖3所示。

圖3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)示意

5 結(jié)束語

(1)長大風(fēng)險(xiǎn)隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，必須將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作納入施工工序中，配備相關(guān)人員、設(shè)備，以保證工程快速、經(jīng)濟(jì)、安全、順利進(jìn)行，避免災(zāi)害發(fā)生。

(2)詳細(xì)的勘察工作是建立宏觀預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，在充分研究勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，將各種方法與技術(shù)有機(jī)結(jié)合，合理確定超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，建立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。只有在宏觀預(yù)報(bào)的指導(dǎo)下，才能發(fā)揮各種地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法的技術(shù)優(yōu)勢，準(zhǔn)確、有效地實(shí)施洞內(nèi)不良地質(zhì)體超前預(yù)報(bào)和施工地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，以及臨近預(yù)警等后續(xù)預(yù)報(bào)工作。

(3)因地制宜綜合應(yīng)用各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，相互印證與補(bǔ)充。地質(zhì)分析方法作為基本方法必須加強(qiáng)，各種物探技術(shù)作為快速“偵察”手段應(yīng)大力發(fā)展［1］，超前地質(zhì)探孔法在地質(zhì)復(fù)雜地段必須堅(jiān)持應(yīng)用，并納入施工組織設(shè)計(jì)。

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［3］鐘宏偉，趙凌.我國隧道工程超前預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀分析［J］.人民長江，2004(9)

［4］代高飛，夏才初，毛海河.地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2004(9)