高地應力隧道穿越軟弱圍巖的綜合預報研究

帥文斌

(中鐵十四局集團第五工程項目有限公司，山東濟寧 272117)

0 引言

隨著我國鐵路、公路建設的不斷發(fā)展，隧道工程已經向長大埋深方向發(fā)展。因此，近幾年，穿越高地應力區(qū)且地質環(huán)境惡劣的軟弱圍巖長大隧道工程不斷涌現，如青藏線的關角隧道，寶中線的大寨嶺隧道，南昆線穿越煤系底層的家竹箐隧道，川藏線的二郎山公路隧道等。高地應力對巖土工程的影響是顯著的，尤其是在穿越軟弱圍巖的隧道工程。

為了確保高地應力隧道在穿越軟弱圍巖區(qū)的施工安全，對不良地質情況進行準確及時超前預報，是在隧道設計和施工中亟待研究與解決的問題。在隧道施工建設過程中，初勘中采用的地面調繪、鉆探、物探、遙感判譯、波速測井等等方法，很難精確地判定軟弱圍巖的段落，給施工帶來了極大困難，甚至造成巨大人員傷亡事故。

目前，隧道施工超前地質預報，根據探測距離可分為長期(長距離)和短期(短距離)兩種預報形式。長距離超前地質預報主要采用TSP探測方法，短距離超前地質預報主要采用地質雷達探測。TSP發(fā)射地震超前地質預報方法具有預報距離長，不占用隧道工作面，對施工影響小的優(yōu)點。而地質雷達受外界影響較小，預報結果較準確，對短距離范圍內的斷層破碎帶、導水通道、巖溶等地質異常反應敏感，在一定程度上可彌補TSP對部分小型不良地質體敏感程度較弱的不足。所以，利用綜合超前預報方法可為復雜條件下隧道施工安全提供保障。

1 六盤山隧道軟巖破碎帶特征

六盤山隧道設計為分離式隧道，隧道長度9 480 m，左右線間隔31 m～48 m，屬超長隧道。左線隧道起止R=3 060的圓曲線上，隧道縱坡為1.676/－2.782;右線隧道起止樁號為 K6+230，K15+710，右線進口位于直線上，出口位于半徑為R=3 080的圓曲線上，隧道縱坡為1.68/－2.7。

隧道施工區(qū)內地貌以成因類型、形態(tài)可劃分為侵蝕構造中低山、侵蝕構造丘陵、渝河三級階地和侵蝕堆積河谷四種地貌類型。隧道選址范圍內，出露地層主要為白堊系、第三系，并有覆蓋于基巖之上的第四系堆積層。

其中，第三系、白堊系的干旱氣候條件下形成的以陸相沉積為主的碎屑沉積巖層，常賦存于復雜的地質環(huán)境中，而且?guī)r性親水性強，遇水易軟化(或膨脹)，飽和抗壓強度低，屬于軟巖或較軟巖，部分為極軟巖。六盤山隧道初勘巖組中，第三系漸新統清水營組(E3q)主要分布于涇源東山坡、頓家川及隆德陳靳鄉(xiāng)花土灣一帶。巖性為磚紅色塊狀粉砂質泥巖及粉砂巖，細砂巖，呈中厚層狀，局部有石膏層，膠結較差。白堊系下統李洼峽組(K1l)大部分為暗紫色粉砂質泥巖，一般占70%～80%，局部占50%，中厚層狀，多為鈣質膠結。

隧道修建區(qū)域內，構造運動強烈，具體表現為褶皺和斷裂發(fā)育。紅莊～山河鎮(zhèn)向斜北段開闊，南段收斂，向南東方向傾伏，褶皺軸形態(tài)與六盤山山體基本一致，繞六盤山呈半圓弧形分布。米缸山背斜東翼受斷層影響，地層傾角較陡。固原～涇源向斜在下白堊系地層在燕山期褶皺形成向斜，喜山期和下第三系地層又繼承性發(fā)張。區(qū)域內主要有兩條斷裂構造:靳家溝～南臺逆斷層(F1)和六盤山(和尚鋪～涇源)深大斷裂(F2)。其中，六盤山深大斷裂(F2)燕山期已形成，喜山期至今尚有強烈活動，在和尚鋪和東山坡、頓家川等地斷層上下盤白堊系局部形成牽引褶皺，并伴有次級斷裂發(fā)育。

隧址區(qū)地應力高，圍巖膠結及成巖性差，屬軟巖或較軟巖，部分為極軟巖，構造運動強烈，褶皺及斷層發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，在隧道施工中易產生大坍塌、崩落、掉塊等。

2 六盤山隧道綜合超前地質預報

2.1 TSP203探測原理及結果處理

TSP測量系統是通過在掌子面后方一定距離內的鉆孔中以微震爆破來發(fā)射信號的，爆破引發(fā)的地震波在巖體中以球面波的形式向四周傳播，在傳播過程中遇不良地質體被反射回來，測量系統用三分量傳感器將這些信號進行采集并記錄，通過反射時間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進面的距離確定下來，同時還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便的探測出來。

本次預報采用TSP203plus系統，預報范圍是YK14+200～YK14+100。圖1是探測結果的深度偏移圖。

圖1 深度偏移圖

根據TSP探測結果分析，在YK14+174～YK14+162范圍內，縱波、橫波波速降低，縱橫波波速之比、泊松比明顯增加，密度、楊氏模量降低，深度偏移圖上存在兩層強烈正反射，并繼之以強烈負反射，且反射帶內條帶延伸性差，甚至存在尖滅現象。結合初勘資料，推斷此段落圍巖堅硬程度降低，受構造運動影響，裂隙和層面較發(fā)育，巖體呈破碎狀態(tài)。

2.2 地質雷達探測原理及結果處理

地質雷達(GPR)利用發(fā)射天線向被測面內部發(fā)射電磁波，接收天線接收來自被測面內部不同介質面的反射波。電磁波的路徑、強度和波形在不同的介質傳播時會發(fā)生變化，根據接收到的電磁波的走時、振幅和波形等可研判介質的結構。地質雷達能夠預報被測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。

本次預報探測工作在樁號YK14+178處開展，預報采用SIR3000型地質雷達，天線頻率為80 MHz。探測結果解譯圖如圖2所示。

根據雷達探測結果，在YK14+174～YK14+168段存在強反射區(qū)域，在該段落前后，反射信號發(fā)生角度變化，表明該段落巖體處于巖層產狀急劇變化，或受構造運動影響，裂隙非常發(fā)育，巖體處于破碎狀態(tài)，且該段落巖體極有可能富水，發(fā)育有裂隙水。結合現場地質狀況和相關資料判斷，該段落為第三系、白堊系形成的紅層軟巖的不整合接觸帶，受巖層角度不整合控制和構造運動的影響，圍巖整體穩(wěn)定性差，呈破碎狀態(tài)。

3 實際開挖及勘測結果驗證

六盤山隧道在開挖至YK14+174處，圍巖產狀急劇變化，發(fā)育有深長裂隙，切割泥質粉砂巖。在掌子面下部，出現構造運動引起的小型褶皺，使巖體處于破碎狀態(tài)。切割巖體的深長裂隙還有滲水現象。

現場地質情況如圖3所示。

在后期的監(jiān)控量測中，隧道拱頂下沉和水平收斂數據相較于正常段落都偏大，說明該段落構造應力復雜，圍巖破碎，自穩(wěn)能力下降。

圖2 地質雷達探測解譯圖

圖3 現場地質情況圖

對比結果表明，TSP超前地質預報能夠實現長遠距離范圍內軟巖破碎帶的比較準確的定位，地質雷達預報技術能夠準確判斷破碎帶的實際位置、規(guī)模大小等。因此，綜合超前地質預報可對高地應力區(qū)隧道軟巖破碎帶的探測提供較準確的數據，為隧道的施工安全起到指導作用。

4 結語

利用綜合預報分析方法對處于高地應力區(qū)的六盤山隧道軟巖破碎帶進行了精確的預報。TSP超前預報方法可以較準確的判定隧道前方不良地質體的位置和規(guī)模，地質雷達的探測可及時精確的給出隧道開挖前方不良地質體的位置和規(guī)模。在高地應力的軟巖隧道工程中，這種長短結合的綜合預報方法，成功查明隧道施工前方的地質狀況，降低了施工中的安全風險。以地質分析為基礎，利用長距離探測與短距離研判相結合的預報方法，可探明隧道地質情況，為安全施工提供必要保證。

［1］薛云峰，何繼善，郭玉松.南水北調西線工程深埋隧道地質超前預報系統研究的思考［J］.地球物理學進展，2006，21(3)：993-997.

［2］何發(fā)亮，李蒼松，陳成宗.隧道地質超前預報［M］.成都：西南交通大學出版社，2006.

［3］王良奎.多種超前地質預報方法在隧道施工中的應用［J］.金屬礦山，2001，305(11)：45-47.

［4］張 進.地質超前預報在銅鑼山隧道中的應用成果［J］.山西建筑，2007，33(2)：36-39.

［5］劉志剛，劉秀峰.TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前預報中的應用與發(fā)展［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(8)：1399-1402.

［6］李大心.探地雷達方法與應用［M］.北京：地質出版社，1994.

［7］姜 云，王蘭生.深埋長大公路隧道高地應力巖爆和巖溶突水問題及對策［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(9)：1319-1323.

［8］張志強，關寶樹.軟弱圍巖隧道在高地應力條件下的變形規(guī)律研究［J］.巖土工程學報，2000，22(6)：696-700.