綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在銅盤山隧道中的應(yīng)用

涂孝波，易萍華，陳 亮

（1東華理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西南昌 330013；2上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 200092）

0 引言

隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，前期工程地質(zhì)勘察由于地質(zhì)、地形條件的復(fù)雜性，以及受精度、時(shí)間、成本條件的限制，地質(zhì)資料不可能詳細(xì)全面地反應(yīng)實(shí)際地質(zhì)情況，施工過(guò)程中就有許多安全隱患的存在。因此，在隧道施工階段通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及時(shí)掌握開挖面前方不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模和性質(zhì)，減少或避免突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，已成為隧道建設(shè)不可或缺的工序。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方面開展了大量研究，但到目前為止，還沒有任何一種預(yù)報(bào)方法能解決所有地質(zhì)問(wèn)題，采用單一的預(yù)報(bào)方法，在地質(zhì)條件復(fù)雜的地段經(jīng)常出現(xiàn)漏報(bào)、誤報(bào)等情況，因此，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題許多學(xué)者提出了多種預(yù)報(bào)手段綜合應(yīng)用的預(yù)報(bào)方法，并取得了許多成功的案列。如張慶松等人[1]通過(guò)對(duì)隧道常用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀的分析，討論了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的必要性。陳建平等人[2]提出的綜合超前預(yù)報(bào)方法，重視地質(zhì)法的指導(dǎo)作用，將多種物探方法綜合應(yīng)用。羅浚等人[3]提出多種方法相結(jié)合的隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，并建立合理的預(yù)報(bào)流程。

本文分析了隧道常見超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)，提出了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，結(jié)合杭紹臺(tái)高速銅盤山隧道工程背景，詳細(xì)說(shuō)明該技術(shù)具體實(shí)施方法與步驟。

1 隧道常見超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

1.1 地質(zhì)法

地質(zhì)法是一種基礎(chǔ)的、實(shí)用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。主要是充分利用已有的基礎(chǔ)資料對(duì)隧址區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況進(jìn)行初步判斷，對(duì)可能存在地質(zhì)災(zāi)害隱患的地段再通過(guò)地表補(bǔ)充調(diào)查、隧道內(nèi)地質(zhì)編錄、掌子面地質(zhì)素描等進(jìn)一步查明該地段地質(zhì)條件。根據(jù)地層界線、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀以及地質(zhì)構(gòu)造地表和地下相關(guān)性原理，不良地質(zhì)體的前兆現(xiàn)象，運(yùn)用地質(zhì)理論對(duì)隧道前方的地質(zhì)情況做出預(yù)測(cè)[4]。通過(guò)地質(zhì)法可對(duì)隧址區(qū)地質(zhì)復(fù)雜程度等級(jí)進(jìn)行劃分，評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，確定重點(diǎn)預(yù)報(bào)地段，指導(dǎo)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案的制定。該方法不影響施工，儀器設(shè)備簡(jiǎn)單易操作，可實(shí)時(shí)掌握隧道地質(zhì)條件的變化，預(yù)報(bào)效果良好；缺點(diǎn)是容易漏報(bào)隧道前方隱蔽的不良地質(zhì)體[5]。

1.2 鉆探法

鉆探法包括超前地質(zhì)鉆探和加深炮孔探測(cè)，兩者都是通過(guò)鉆探情況來(lái)獲取地質(zhì)信息。主要是根據(jù)鉆探情況來(lái)探明巖性的變化，以及構(gòu)造、含水性、巖溶洞穴等的發(fā)育位置及其規(guī)模。該方法具有直觀性、客觀性、不存在多解性和不確定性等優(yōu)點(diǎn)，可以直觀地反映鉆孔所經(jīng)過(guò)部位的地質(zhì)情況；但耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，一般很少被采用。

1.3 物探法

TGP（Tunnel Geology Prediction）地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是基于地震波在不均勻介質(zhì)傳播過(guò)程中將產(chǎn)生反射波，根據(jù)反射波特性對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況做出預(yù)測(cè)。該方法是在隧道側(cè)壁同一高度等間距布置多個(gè)激震孔，通過(guò)人工制造一系列地震波信號(hào)，地震波在隧道周圍巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到一些地質(zhì)界面或地質(zhì)帶時(shí)會(huì)發(fā)生反射。反射的地震波將被預(yù)先埋置的檢波器采集接收，再通過(guò)相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理得到成果圖，最后再結(jié)合基礎(chǔ)地質(zhì)資料綜合分析，推斷掌子面前方圍巖的地質(zhì)情況。該方法預(yù)測(cè)距離長(zhǎng)，適用于長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)，對(duì)于大規(guī)模和大角度相交的不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)效果良好；但對(duì)于不連續(xù)、不規(guī)則形狀以及小角度相交的不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度難以保障，同時(shí)探測(cè)成果存在多解性，諸如斷層、節(jié)理、結(jié)構(gòu)面或其他界面異常形式差別很小[6-7]。

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）探測(cè)是基于電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中遇到不同地質(zhì)界面，電磁波將出現(xiàn)異常，根據(jù)其異常形態(tài)特征和衰減情況對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行推斷解釋。該方法是通過(guò)向地下介質(zhì)發(fā)射高頻電磁波，電磁波在傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到電性差異界面時(shí)，將產(chǎn)生反射現(xiàn)象，接收反射回來(lái)的電磁波。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，然后根據(jù)波形，再結(jié)合地質(zhì)資料推斷地下介質(zhì)的空間位置、大小及其特性等。該設(shè)備分辨能力強(qiáng)，判釋精度高，對(duì)于小規(guī)模的地質(zhì)體和含水性異常分辨能力強(qiáng)；但預(yù)報(bào)距離較短，易受其他因素干擾[8-9]。

紅外探水法就是利用地下水的活動(dòng)引起巖體紅外輻射場(chǎng)的變化，根據(jù)輻射場(chǎng)的變化來(lái)確定掌子面前方及其周圍是否存在隱伏的含水體。該方法主要用于探測(cè)含水不良地質(zhì)體；但是，無(wú)法判斷水量與確切距離，預(yù)報(bào)距離短，容易受干擾。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

上述每種方法都有其自身的局限性，地質(zhì)法對(duì)于不可預(yù)見的地質(zhì)體容易漏報(bào)，鉆探法成本高、耗時(shí)長(zhǎng)且預(yù)報(bào)范圍有限，物探法存在著多解性，而隧道的地質(zhì)條件又復(fù)雜多樣，采用單一的預(yù)報(bào)方法并不能解決所有地質(zhì)問(wèn)題。因此，根據(jù)不同的地質(zhì)情況、預(yù)報(bào)效果、預(yù)報(bào)距離，將不同的預(yù)報(bào)方法合理搭配，綜合應(yīng)用。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)即采用以地質(zhì)分析法為基礎(chǔ)，物探法為輔助，鉆探法為復(fù)核的粗-中-細(xì)的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。多種方法綜合運(yùn)用，多管齊下，充分發(fā)揮各方法的優(yōu)勢(shì)，相互驗(yàn)證與補(bǔ)充，提高預(yù)報(bào)的可靠性和精確度。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)以“地質(zhì)與物探結(jié)合，洞內(nèi)外結(jié)合，長(zhǎng)短結(jié)合、綜合應(yīng)用、堅(jiān)持預(yù)報(bào)與開挖驗(yàn)證反饋”為原則進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)流程如圖1所示。該技術(shù)注重地質(zhì)分析法的基礎(chǔ)作用和指導(dǎo)作用，并將掌子面地質(zhì)素描和地質(zhì)編錄貫穿于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的始終，只有在充分掌握地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，才能準(zhǔn)確有效地指導(dǎo)其他預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用。對(duì)異常區(qū)段采用多種方法合理搭配、綜合應(yīng)用的模式進(jìn)行預(yù)報(bào)；堅(jiān)持預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖揭露情況對(duì)比驗(yàn)證，分析反饋，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，糾正偏差，以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

圖1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)流程圖

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

銅盤山隧道左線全長(zhǎng)4244m，最大埋深為370m。右線全長(zhǎng)4183m，最大埋深為367.5m，屬于特長(zhǎng)隧道，采用分離式設(shè)計(jì)。

隧址區(qū)上覆分布薄層粉質(zhì)黏土、碎石，下伏基巖為流紋質(zhì)凝灰?guī)r，凝灰質(zhì)砂巖等。隧址區(qū)內(nèi)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，分布有5條斷層，F(xiàn)1—F5。F1斷層寬度最大，斷層帶內(nèi)巖石呈糜棱巖狀、構(gòu)造角礫巖狀、斷層泥狀均有，巖性復(fù)雜，工程性質(zhì)較差；F3斷層由多條平行的擠壓破碎帶組成，帶內(nèi)巖石破碎，完整性差，工程性質(zhì)較差；F4斷層寬度不大，帶內(nèi)巖體較破碎，巖石蝕變強(qiáng)烈，局部地段節(jié)理發(fā)育密集，工程性質(zhì)較差；其它兩條斷層性質(zhì)相對(duì)較好。

3.2 銅盤山隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的實(shí)施

首先通過(guò)分析銅盤山隧道前期的工程地質(zhì)資料，得出隧址區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，隧道穿越多條斷層，斷層發(fā)育地段地質(zhì)條件復(fù)雜，是施工高風(fēng)險(xiǎn)地段，因此，隧道穿越斷層地段應(yīng)該作為施工中的重點(diǎn)預(yù)報(bào)區(qū)段，本次預(yù)報(bào)選取已開挖的F4斷層破碎帶為例，詳細(xì)說(shuō)明綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用。

通過(guò)地表實(shí)測(cè)顯示，F(xiàn)4斷層與隧道的位置關(guān)系如圖2所示。與圍巖呈斷層接觸，產(chǎn)狀321°∠56°，與隧道軸線大角度相交，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，呈鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。

圖2 銅盤山隧道F4斷層工程地質(zhì)剖面圖

掌子面（樁號(hào)K53+368）地層巖性為青灰色凝灰?guī)r，強(qiáng)～中等風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為254°∠69°，裂隙間多泥砂質(zhì)充填，綠泥石化蝕變強(qiáng)烈，圍巖穩(wěn)定性較差，掌子面可見滲、滴水現(xiàn)象，工程性質(zhì)較差。

根據(jù)前期的地質(zhì)資料以及地表補(bǔ)充調(diào)查，該里程段發(fā)育有F4斷層，通過(guò)掌子面地質(zhì)情況可以看出，可能臨近斷層，前兆現(xiàn)象明顯，結(jié)合各種物探的適用性，決定先采用地震波反射法（TGP-206）對(duì)K53+368～K53+268里程段進(jìn)行長(zhǎng)距離探測(cè)，初步查明斷層發(fā)育位置、規(guī)模等，對(duì)于異常區(qū)段，再輔以地質(zhì)雷達(dá)法準(zhǔn)確判斷其發(fā)育位置及其規(guī)模，或者采用紅外探水查明富水情況，最后在有必要的情況下利用加深炮孔或超前鉆孔進(jìn)行直觀分析。

3.2.1 TGP預(yù)報(bào)

現(xiàn)場(chǎng)采用TGP-206對(duì)K53+368～K53+268段巖體（100 m）進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)，圖3為通過(guò)TGPwin軟件處理得到的成果圖。

預(yù)報(bào)結(jié)果解析如下：

1） K53+368～K53+354,長(zhǎng)14m，偏移圖顯示無(wú)明顯異常，反射面少，縱橫波速度不變，推斷該里程段圍巖與當(dāng)前掌子面一致，建議圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)；

2） K53+354～K53+326,長(zhǎng)28m，縱橫波速度明顯下降，縱波速度低于3000m/s，橫波速度低于2000m/s，縱波和橫波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：71°與-60°和70°與59°。 該里程范圍內(nèi)共有5條強(qiáng)反射界面，分別在隧道的K53+354、K53+344、K53+338、K53+335和K53+326里程。上述里程段除了K53+344、K53+326里程外，其余的均表現(xiàn)為負(fù)的強(qiáng)反射特征，由此推測(cè)負(fù)的強(qiáng)反射界面處為斷層破碎帶、裂隙密集帶，斷層影響帶寬約22m。在K53+338～K53+326里程段橫波反射強(qiáng)于縱波，有裂隙水的可能，建議圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)；

3） K53+326～K53+290,長(zhǎng)36m，縱波速度基本不變，橫波速度有所上升，均為正反射，推斷該里程段圍巖基本完整，無(wú)地質(zhì)病害，建議圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)；

4）K53+290～K53+268,長(zhǎng)22m，該里程段縱波速度有所下降，速度低于3000m/s，橫波速度有升有降，縱波和橫波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：77°與87°和85°與73°。 該里程范圍內(nèi)共有4條中等反射界面，其中在K53+287、K53+277和K53+270里程為負(fù)反射。由此推斷負(fù)的中等反射界面為裂隙密集帶，寬度約7m，建議圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

3.2.2 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)

由TGP預(yù)報(bào)結(jié)論可知，K53+354～K53+326段巖體性質(zhì)較差，有斷層，裂隙密集帶、裂隙水存在，當(dāng)開挖至K53+356時(shí)，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)K53+356～K53+326里程段進(jìn)行短距離預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確判斷不良地質(zhì)體發(fā)育位置及其規(guī)模。

由圖4可以看出，A區(qū)域（K53+353～K53+346）電磁波反射信號(hào)頻率呈現(xiàn)不均勻的中低頻信號(hào)，同相軸局部存在錯(cuò)段，呈面狀區(qū)域化分布，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況，綜合推斷該里程范圍內(nèi)節(jié)理裂隙密集分布，存在巖體破碎帶，有少量裂隙水，工程性質(zhì)差；B區(qū)域（K53+343～K53+330）存在多條反射信號(hào)，有低頻信號(hào)出現(xiàn)，呈面狀區(qū)域化分布，整體圍巖破碎，穩(wěn)定性差，富水性較強(qiáng)，建議圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

圖4 K53+356～K53+326段地質(zhì)雷達(dá)波形圖

3.3 綜合結(jié)論

采用TGP長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)短距離預(yù)報(bào)以及結(jié)合前期勘察設(shè)計(jì)資料，以及現(xiàn)場(chǎng)地表補(bǔ)充調(diào)查和掌子面地質(zhì)調(diào)查的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，綜合推斷認(rèn)為K53+354～K53+326段受F4斷層的影響，巖石蝕變強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育密集，巖體破碎，裂隙水發(fā)育，工程性質(zhì)差，施工時(shí)應(yīng)注意防排水處理，及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)，以防發(fā)生圍巖坍塌。

3.4 實(shí)際開挖揭露狀況

實(shí)際開挖揭露狀況如圖5、圖6所示。

圖5 K53+351掌子面照片

圖6 K53+336掌子面照片

4 結(jié)論

1）地質(zhì)工作是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，其他預(yù)報(bào)方法都是在地質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，只有掌握了整個(gè)隧道工程所處的地質(zhì)環(huán)境，才能準(zhǔn)確地制定合理的預(yù)報(bào)方案。

2）物探資料的解譯只有在充分掌握地質(zhì)資料和高質(zhì)量物性資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行，才能獲得準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，避免物探成果的多解性。

3）根據(jù)不同的地質(zhì)情況、預(yù)報(bào)效果、預(yù)報(bào)距離，將不同的預(yù)報(bào)方法合理搭配、綜合應(yīng)用。

4）堅(jiān)持預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖揭露情況對(duì)比驗(yàn)證、分析反饋、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、糾正偏差，以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。