超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在活動(dòng)斷裂帶隧道施工中的應(yīng)用

宋 晃

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

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超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在活動(dòng)斷裂帶隧道施工中的應(yīng)用

宋 晃

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

結(jié)合大瑞鐵路某標(biāo)段隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的特殊性，采用物探、超前探孔、加深炮孔等綜合探測(cè)手段，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析，并構(gòu)建了活動(dòng)斷裂帶地區(qū)綜合預(yù)報(bào)體系，全面準(zhǔn)確地掌握了隧道圍巖的情況。

活動(dòng)斷裂帶，隧道，綜合探測(cè)手段，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

1 工程概況

新建大理至瑞麗鐵路(大瑞鐵路)保山至瑞麗段全線在云南省境內(nèi)，全長(zhǎng)約196.42 km。大瑞鐵路是國(guó)內(nèi)第一條穿越橫斷山脈的Ⅰ級(jí)鐵路。地質(zhì)具有高地?zé)?、地?yīng)力、地震烈度(三高)；活躍的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地?zé)崴h(huán)境、外動(dòng)力地質(zhì)條件、岸坡淺表改造過(guò)程(四活躍)的典型特征。

1)地形地貌。大瑞線位于云貴高原西部的邊緣地帶、橫斷山南段，地勢(shì)起伏變化快、地形地貌復(fù)雜。

2)工程地質(zhì)。沿線分部主要以碎屑巖、巖漿巖、碳酸鹽巖、變質(zhì)巖為主。

沿線的活動(dòng)及深大斷裂較為發(fā)育，全部屬于特提斯—喜馬拉雅斷裂體系。較為活躍的活動(dòng)斷裂主要有：北東向的瀘水—龍陵—瑞麗斷裂帶、畹町?dāng)嗔鸭澳媳毕虻呐瓟嗔褞А?/p>

3)水文地質(zhì)。地表水主要為江水、水庫(kù)水及溝槽內(nèi)流水。

地下水在不同的地質(zhì)構(gòu)造單元，有不同的特征，地下水類型主要有孔隙水、基巖裂隙水、斷裂帶水、巖溶水等。

4)不良地質(zhì)及特殊巖土。全段主要不良地質(zhì)問(wèn)題有：高烈度地震區(qū)及深大活動(dòng)斷裂、高地溫、巖爆及軟巖大變形、滑坡、錯(cuò)落、危巖落石及巖堆、泥石流、巖溶、順層、放射性、有害氣體等。

全段特殊巖土有軟土、松軟土、膨脹土(巖)。

本線3次以隧道形式穿越瀘水—瑞麗活動(dòng)斷裂帶，分別為樺桃林三號(hào)隧道、橄欖坡二號(hào)隧道及三臺(tái)山隧道。為改善地震響應(yīng)特性，活動(dòng)斷裂帶隧道襯砌采用近圓形襯砌結(jié)構(gòu)，拱墻范圍預(yù)留35 cm補(bǔ)強(qiáng)凈空，以確保震害發(fā)生后及時(shí)修復(fù)，襯砌設(shè)計(jì)時(shí)向斷裂段兩端延伸50 m。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及其內(nèi)容

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)目的

1)進(jìn)一步查清隧道開(kāi)挖工作面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，一定程度指導(dǎo)施工；2)避免災(zāi)害的發(fā)生并減小相關(guān)的危害損失；3)為設(shè)計(jì)變更提供支持依據(jù)。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的方法及其內(nèi)容

根據(jù)具體隧道地質(zhì)構(gòu)成及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，采取相互結(jié)合補(bǔ)充的超前探測(cè)方法，分別為地質(zhì)調(diào)查法、物探法及超前鉆探法。

1)地質(zhì)調(diào)查法。地質(zhì)調(diào)查法包括隧道地表情況調(diào)查和洞內(nèi)掌子面圍巖素描等。

2)物探法。物探法包括地震波反射法、紅外探測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)法、時(shí)域瞬變電磁法等。

現(xiàn)場(chǎng)采取的物探方法為以上幾種措施相互結(jié)合的措施，主要分為WT-1～WT-4(見(jiàn)表1)。

表1 物探法措施表

3)超前鉆探法。在隧道施工中，物探法對(duì)前方掌子面及圍巖的情況判別較為宏觀。對(duì)大瑞鐵路線這種穿越活動(dòng)斷裂帶、圍巖極為破碎且變化極快的隧道，鉆探法對(duì)圍巖的預(yù)判效果更為明顯。

a.超前地質(zhì)鉆孔。采用沖擊鉆成孔結(jié)合孔內(nèi)成像分析法，超前探測(cè)20 m～30 m，驗(yàn)證中近距離物探超前探測(cè)的異常地段。每25 m一循環(huán)，每孔長(zhǎng)30 m。

b.加深炮孔。利用隧道每一循環(huán)開(kāi)挖時(shí)的炮孔加深并結(jié)合一定的外插角探測(cè)掌子面外圍的圍巖情況，每次施作3孔～5孔。

現(xiàn)場(chǎng)采取的鉆探方法為以上幾種措施相互結(jié)合的措施，主要分為ZT-1～ZT-7(見(jiàn)表2)。

表2 鉆探法措施表

3 以三臺(tái)山隧道為例綜合預(yù)報(bào)體系的運(yùn)用

3.1 工程概況

三臺(tái)山隧道位于芒市西車站—壩托車站區(qū)間，為時(shí)速140 km/h單線隧道，隧道全長(zhǎng)9 363 m。隧道進(jìn)、出口兩次與龍陵—瑞麗斷裂帶相交，斷裂帶內(nèi)巖體極破碎，成分以斷層角礫、壓碎巖為主，圍巖穩(wěn)定性極差。本隧道的不良地質(zhì)主要以活動(dòng)斷裂帶、高地應(yīng)力、順層偏壓、松軟土、膨脹土為主。全隧道分為進(jìn)口、1號(hào)斜井、2號(hào)斜井、出口四個(gè)作業(yè)工區(qū)。

2號(hào)斜井全長(zhǎng)615 m進(jìn)入主線正洞，斜井主要位于龍陵—瑞麗深大活動(dòng)斷裂帶上盤，斜井處于斷層破碎帶內(nèi)，圍巖較為破碎。2號(hào)斜井XJ2K0+000～XJ2K0+430段落采用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法為WT-1(地震波反射法即TSP)和ZT-2(超前鉆孔1孔+加深炮孔5孔)。本次分析采用具有典型代表的圍巖變化情況較快、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析起到的指導(dǎo)施工作用較為明顯的XJ2K0+300.4～XJ2K0+265.4一段。

3.2 物探法

2017年1月1日在掌子面里程XJ2K0+351處由第三方預(yù)報(bào)單位進(jìn)行了TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，本次探測(cè)里程為XJ2K0+351～XJ2K0+241，報(bào)告編號(hào)為J17檢大瑞-STS2#XJ-DZ-1。物探法對(duì)前方圍巖的判斷如表3所示。

表3 物探法探測(cè)結(jié)果

3.3 鉆探法

2017年2月12日在掌子面里程XJ2K0+300.4處施作了超前地質(zhì)鉆孔，本次探測(cè)里程為XJ2K0+300.4～XJ2K0+265.4。

按照設(shè)計(jì)要求，本次主要為超前鉆孔1孔，鉆孔布置如圖1，圖2所示。

1)鉆孔情況與出水情況。鉆孔全程無(wú)卡鉆和塌孔現(xiàn)象，前期鉆進(jìn)較為勻速，在23 m～35 m(XJ2K0+277.4～XJ2K0+265.4)范圍內(nèi)鉆進(jìn)速度加快；鉆進(jìn)過(guò)程中有滲水，待鉆到10.3 m處(XJ2K0+290.1)時(shí)出水現(xiàn)象加劇，在繼續(xù)鉆進(jìn)的過(guò)程中，水量隨著鉆孔的加深而加大。

根據(jù)鉆進(jìn)情況，初步可判斷出XJ2K0+277.4～XJ2K0+265.4段圍巖變差、從XJ2K0+290.1開(kāi)始圍巖出現(xiàn)裂隙水同時(shí)隨著呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

2)孔內(nèi)成像情況。隨后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證鉆孔結(jié)論，對(duì)鉆孔進(jìn)行了孔內(nèi)成像,成像的截圖如圖3，圖4所示。

從圖3，圖4可以看出：在孔內(nèi)10.3 m(XJ2K0+290.1)處，孔內(nèi)左上部滲水現(xiàn)象嚴(yán)重，分析此處為一處滲水點(diǎn)；在孔內(nèi)23 m(XJ2K0+277.4)處，孔內(nèi)裂隙水量明顯增大，且孔內(nèi)周邊開(kāi)始有黃色夾層。

根據(jù)孔內(nèi)成像情況，基本與鉆孔分析的結(jié)論相吻合。

3.4 物探及鉆探綜合分析施工建議

結(jié)合超前水平鉆探及物探TSP的資料綜合分析，向現(xiàn)場(chǎng)施工提出建議如下：

開(kāi)挖揭示掌子面圍巖為板巖、混合巖、混合巖化片麻巖、微晶片巖夾變質(zhì)砂巖，巖體破碎～極破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育。在掌子面前方10.3 m，即XJ2K0+290.1處開(kāi)始出現(xiàn)裂隙水，施工中應(yīng)做好抽排水工作的相關(guān)準(zhǔn)備；

在掌子面前方23 m～35 m，即XJ2K0+277.4～XJ2K0+265.4段巖體整體性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育且有軟弱夾層，地下水較多。施工中可能發(fā)生掉塊、坍塌及涌水風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，加強(qiáng)支護(hù)及監(jiān)控量測(cè)，另在施工此段落時(shí)應(yīng)嚴(yán)格做好加深炮孔對(duì)周邊圍巖的探測(cè)工作。

3.5 加深炮孔施作時(shí)的異常情況分析

此段落按照設(shè)計(jì)鉆探為加深炮孔(5孔)，在上臺(tái)階拱頂需施作3孔加深炮孔。XJ2K0+300.4～XJ2K0+270段落施作加深炮孔均較為正常，2017年3月2日施工至XJ2K0+270時(shí)，施作的3孔加深炮孔鉆進(jìn)速度均較快，炮眼內(nèi)返出的圍巖粉末顏色為黃色(掌子面圍巖為灰色)。

根據(jù)加深炮孔的結(jié)果分析，XJ2K0+270處掌子面拱頂上方圍巖極差，判斷軟弱夾層極為嚴(yán)重。故在施工此段落時(shí)要求加密超前小導(dǎo)管并加大注漿壓力以預(yù)防掉塊、坍塌的現(xiàn)象發(fā)生。

3.6 開(kāi)挖揭示掌子面情況

開(kāi)挖后揭示掌子面的圍巖情況為：

XJ2K0+290處掌子面圍巖整體性較好，開(kāi)始出現(xiàn)裂隙水且水量較大(見(jiàn)圖5)；XJ2K0+277.4處掌子面圍巖整體性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育且開(kāi)始有軟弱夾層現(xiàn)象，裂隙水量增大(見(jiàn)圖6)；XJ2K0+270處掌子面圍巖整體性極差，節(jié)理裂隙極發(fā)育且拱頂處完全為軟弱層(見(jiàn)圖7)。

圍巖開(kāi)挖揭示的情況基本與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析的判斷相吻合，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析較好的指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，成功的避免了施工中的掉塊、坍塌、涌水等的施工風(fēng)險(xiǎn)。

4 活動(dòng)斷裂帶地區(qū)綜合預(yù)報(bào)體系

活動(dòng)斷裂帶地區(qū)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合體系由以下幾種手段構(gòu)成:

1)初步預(yù)報(bào)。查閱設(shè)計(jì)及勘查資料，對(duì)地表的情況進(jìn)行提前全面調(diào)查。結(jié)合已施工段落的圍巖地質(zhì)描述情況與設(shè)計(jì)情況進(jìn)行綜合對(duì)比，初步推斷不同段落的地質(zhì)情況；

2)中長(zhǎng)范圍預(yù)報(bào)。采取以TSP為主的多種物探手段初步判斷掌子面前方100 m～150 m范圍的圍巖破碎、含水等情況；

3)短距離預(yù)報(bào)。采取超前地質(zhì)鉆成孔結(jié)合孔內(nèi)成像分析的手段，對(duì)前方30 m范圍的圍巖進(jìn)行判斷。在初步預(yù)報(bào)和中長(zhǎng)范圍預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，如發(fā)現(xiàn)異常情況，采用增加超前鉆孔、加深炮孔等進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證;

4)即時(shí)預(yù)報(bào)。按照設(shè)計(jì)要求施作加深炮孔，主要對(duì)掌子前方及周邊3 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行更加及時(shí)的判斷。

5 結(jié)語(yǔ)

1)三臺(tái)山隧道2號(hào)斜井XJ2K0+300.4～XJ2K0+265.4段的地質(zhì)情況的成功預(yù)報(bào)，證明了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析技術(shù)在隧道施工中對(duì)圍巖破碎情況的判斷是可行的。

2)在活動(dòng)斷裂帶地區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，使用地質(zhì)調(diào)查法、物探(TSP為主)、超前鉆孔(結(jié)合孔內(nèi)成像)、加深炮孔相互綜合的預(yù)報(bào)手段。首先利用地表調(diào)查、洞內(nèi)圍巖素描、TSP為主的物探法相結(jié)合的分析手段初步了解隧道掌子面圍巖的大致情況，再通過(guò)超前鉆孔結(jié)合孔內(nèi)成像分析對(duì)掌子面前方30 m范圍內(nèi)的圍巖破碎情況進(jìn)行進(jìn)一步判斷。使用加深炮孔施作能夠更加直觀、及時(shí)的反映掌子面前方以及周邊尤其是拱頂部位的圍巖情況，對(duì)圍巖地質(zhì)情況判識(shí)更加精確。

3)活動(dòng)斷裂帶地區(qū)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，各種探測(cè)手段均具有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。物探判斷距離長(zhǎng)但較為宏觀，超前鉆孔較為準(zhǔn)確但存在一孔確定圍巖的局限性，加深炮孔及時(shí)準(zhǔn)確但判斷距離較短。采取多種預(yù)報(bào)相互結(jié)合、相互佐證，遵循鉆探與物探相結(jié)合、鉆探為主的原則，能夠全面準(zhǔn)確的了解隧道圍巖的情況。

[1] 馬 棟.金洞隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)[M].北京：北京鐵道出版社，2003.

[2] 譚信榮.陳壽根,馬 輝.隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在巖溶地區(qū)的應(yīng)用[M].北京：北京鐵道出版社，2012.

[3] 陳鐵鋒.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在巖溶隧道中的應(yīng)用[M].北京：北京鐵道出版社，2011.

[4] 李文勝.綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在巖溶隧道施工中的應(yīng)用[J].西部交通科技，2012(5)：49-53.

On application of advanced geological forecast in tunnel construction of active fault zones

Song Huang

(ChinaRailwayNo.3BureauGroupCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

Combining with the active fault zones of tunnel in some section along Dali-Ruili Railway, the paper adopts the comprehensive detecting measures including the geophysical prospecting, advanced hole detection, and deepening blast holes, undertakes the advanced geological forecasting analysis, and establishes the comprehensive forecasting system of the active fault zones, so as to have the control over the tunnel surrounding rocks.

active fault zone, tunnel, comprehensive detecting measure, advanced geological forecast

1009-6825(2017)07-0184-03

2016-12-21

宋 晃(1984- )，男，工程師

U456.33

A