成貴鐵路大方隧道面向地災(zāi)防治的施工臨報方案

謝 磊

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200070)

1 隧道風(fēng)險概況

隧道尤其是高風(fēng)險隧道超前地質(zhì)預(yù)報對安全施工、設(shè)計優(yōu)化等具有重要意義[1-2]。成(都)貴(陽)客運專線設(shè)計行車速度250 km/h，大方隧道起訖里程D1K392+250～D3K399+380，全長7 130 m，為雙線隧道，隧道最大埋深210 m。隧道通過地區(qū)屬低山峰叢洼地及溶蝕丘陵地貌，穿越山體高程為1 520～1 734 m，進(jìn)出口相對高差為10 m左右，山頂峰叢，山丘相對高差30～80 m，溶蝕溝槽、溶蝕洼地、漏斗發(fā)育。隧道穿越山體除少部分砂巖、泥巖地層植被較發(fā)育外，大部分灰?guī)r裸露，有零星灌木植被。隧道洞身段襯砌均按新奧法原理設(shè)計，初期支護(hù)采用噴、錨、網(wǎng)、鋼拱架(格柵)支護(hù)，二次襯砌采用復(fù)合式襯砌。

隧道地質(zhì)復(fù)雜，設(shè)計風(fēng)險評估為極高風(fēng)險隧道，隧道通過的地層及巖性有第四系全新統(tǒng)人工填筑(Q4ml)碎石土、坡殘積(Q4dl+el)黏土，斷層破碎帶(Fr)壓碎巖及角礫巖，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，頁巖夾煤層，二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、燧石灰?guī)r。隧道存在涌水、突泥的風(fēng)險，為本工程的最大重難點。隧道正常涌水量Q=64800 m3/d，雨季集中降雨最大涌水量Qmax=129600 m3/d。根據(jù)其地質(zhì)情況推測的涌水、突泥段落見表1。

表1 推測隧道洞身涌水、突泥段落

2 施工臨報方案

2.1 掌子面地質(zhì)素描

掌子面地質(zhì)素描應(yīng)在隧道作業(yè)每一開挖循環(huán)后立即進(jìn)行，根據(jù)掌子面暴露巖層的層理、節(jié)理、裂隙結(jié)構(gòu)狀況，巖體軟硬程度，出水量大小判斷開挖前方地質(zhì)情況。素描記錄內(nèi)容主要包括工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等方面。應(yīng)注意采用錄像或照片等手段，記錄以下重點內(nèi)容：

(1)地質(zhì)狀況及其分布、性質(zhì)和掌子面自穩(wěn)性。

(2)圍巖的軟硬、裂隙間距及方向等圍巖狀態(tài)。

(3)斷層的分布、走向、黏土化程度等。

(4)出水地點、涌水量及其狀態(tài)。

(5)軟弱層的分布。

2.2 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)

通過小藥量爆破所產(chǎn)生的地震波信號沿隧道方向以球面波的形式傳播，在不同巖層中地震波以不同的速度傳播，在其界面處被反射(圖1)，并被高精度的接收器接受，獲得反映隧道工作面前方的P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果，以及反射層在探測范圍內(nèi)的二維或三維空間分布。通過計算機(jī)軟件分析前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等，最終顯示屏上顯示各種圍巖結(jié)構(gòu)面與隧道軸線相交所呈現(xiàn)的角度及距掌子面的距離，并可初步測定巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)以供參考。但儀器在作業(yè)過程中對環(huán)境的要求較高，若噪聲過大則會影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 TSP原理示意

TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)洞內(nèi)布置的接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的邊墻上，一般情況下，它是由兩個接收器孔和24個爆坡孔組成。接收器距掌子面約55 m，在隧道兩側(cè)對稱布置，最后一個爆破孔距掌子面約0.5 m。爆破孔間距1.5 m，孔深1.5 m，孔徑35～38 mm，孔口距隧底約1.0 m，向下傾斜10～20 °，接收器與第一個爆破孔間距20 m，接收器孔深2.0 m，孔徑43～45 mm，孔口距隧底1.0 m，向下傾斜5～10 °。埋設(shè)傳感器前，先清孔，清除孔底虛碴，放入環(huán)氧樹脂藥卷，插入傳感器套桿并鉆動，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，注意傳感器方向朝向掌子面。測量時間選在施工交接班時間，要求工作面800 m范圍內(nèi)不得有機(jī)械作業(yè)和作業(yè)人員作業(yè)，作業(yè)前與現(xiàn)場施工員聯(lián)系，以確定停工時間，此時準(zhǔn)備好爆破藥卷、電雷管等。由最里邊炮孔開始，逐個依次裝藥聯(lián)線，起爆器起爆，裝藥量根據(jù)圍巖情況，一般控制在10～40 g。

通過TSP超前地質(zhì)預(yù)報，能夠及時地了解掌子面前方的地質(zhì)情況，為隧道施工和及時合理地調(diào)整支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)，有效地控制了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，確保支撐隧道的巖石牢固可靠和施工質(zhì)量，改善工地的安全，贏得了施工時間，降低成本，提高隧道掘進(jìn)的進(jìn)度，將風(fēng)險降低到最小。

2.3 紅外線探水法

采用 HY-303 型防爆紅外線探測儀探測隧道隱伏含水構(gòu)造，利用不同物體輻射場場強(qiáng)差異，對隧道前方的隱伏含水構(gòu)造進(jìn)行跟蹤探測。即采用紅外測溫儀跟蹤測量隧道開挖面的巖石溫度，連續(xù)地獲取巖石的溫度信息，從溫度異常點判斷含水構(gòu)造。HY-303防爆紅外線探測儀可了解掘進(jìn)前方10～30 m范圍內(nèi)是否存在含水?dāng)鄬雍腿芏?、是否存在含水破碎帶。每作一次防水超前探測預(yù)報需15 min。向隧道上方探測掘進(jìn)時未見到的含水構(gòu)造。

向隧道下方探測了解底板下方是否存在空洞、是否存在含水巖溶構(gòu)造、承壓水是否以潛在形勢向上運移。向兩壁外側(cè)探測了解兩壁外側(cè)是否存在隱伏水體、是否存在與隧道走向成小角度斜交的斷層、是否存在溶洞。在隧道施工通過巖溶、巖溶水、斷層破碎帶可能發(fā)生涌水地段每開挖15～30 m，對開挖面前方施作一紅外線探測技術(shù)，對地下水進(jìn)行預(yù)報。

根據(jù)經(jīng)驗，一般是利用掌子面上探測數(shù)據(jù)兩點間最大讀數(shù)差值，參考背景趨勢曲線，來判斷前方含水可能性。考慮到由于標(biāo)準(zhǔn)方差是刻劃隨機(jī)變量在其中心位置散布程度的數(shù)字特征，其反映了偏離均值的偏離量。結(jié)合溫度場模擬計算和資料分析，根據(jù)實地多次探測數(shù)據(jù)，分別計算其兩點間最大讀數(shù)差值和以下標(biāo)準(zhǔn)方差，在詳細(xì)分析和統(tǒng)計實際觀測出水資料的基礎(chǔ)上，選取紅外線探測含水安全值判別標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 水平超前鉆孔

鉆探法是最直觀、可靠的超前預(yù)報手段，對來自物探或其他方法認(rèn)為重點懷疑地段，采用鉆孔探測，通過對鉆孔取巖芯，并利用巖芯作式樣進(jìn)行試驗的分析，鉆空鉆速測試根據(jù)鉆機(jī)在巖石中的鉆進(jìn)速度和巖石特性之間的關(guān)系來判斷地層變化、巖性差異、地層含水量等信息。施工中，對于已出水的超前鉆孔，要進(jìn)行不間斷的水流量、水壓的監(jiān)測，繪制水量、水壓的變化曲線，為制定地下水處理方案提供依據(jù)。

鉆孔一般布置在施工面布置2～3個超前鉆孔，位置位于斷面上半部中間。鉆孔平行于隧洞軸線。當(dāng)隧洞某一側(cè)地質(zhì)條件十分惡劣或有預(yù)灌漿要求時，鉆孔方位可以有適當(dāng)偏角。按物探方法預(yù)報提供的不良地質(zhì)里程位置，在距不良地質(zhì)10～30 m處，停止開挖，在開挖面進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑φ76 mm，鉆孔長度為穿過不良地質(zhì)，必要時并取芯，巖芯鉆探的巖芯采取率，對完整和較完整巖體不應(yīng)低于80 %，較破碎和破碎巖體不應(yīng)低于65 %，鉆進(jìn)深度一般為30 m；對需重點查明的部位(滑動帶、軟弱夾層等)應(yīng)采用雙層巖芯管連續(xù)取芯。鉆孔終孔點須在隧道開挖輪廓線外不大于5～7 m。其鉆孔方向，其鉆孔的水平角、傾角以及鉆孔在開挖面上的位置須按平面、剖面坐標(biāo)進(jìn)行計算，并按設(shè)計推算可能見不良地質(zhì)點位置(圖2)。

圖2 超前水平鉆布置示意

3 施工臨報技術(shù)要求

(1) 地質(zhì)素描，隨開挖進(jìn)行，一般地段10～20 m素描一次，復(fù)雜地段每循環(huán)進(jìn)行一次，包括掌子面、左右邊墻、拱頂及隧底。

(2) TSP每次預(yù)報有效長度A級地段100 m左右，B、C級地段150 m左右，需連續(xù)預(yù)報時前后兩次應(yīng)重疊10 m以上。

(3) 紅外探測每次預(yù)報有效探測距離約為30 m，連續(xù)預(yù)報時前后兩次重疊長度應(yīng)大于5 m。

(4) 超前水平鉆孔，需要時施做，一般每循環(huán)10～30 m；斷層、節(jié)理密集帶或其它破碎富水地層每循環(huán)可只鉆1孔；巖溶發(fā)育區(qū)每循環(huán)3～5個孔，當(dāng)鉆到溶洞時可適當(dāng)增加鉆孔，以滿足溶洞處理所需資料為原則，鉆孔應(yīng)終孔于隧道開挖輪廓線以外5～10 m，孔口按計算應(yīng)安設(shè)一定長度的孔口管；連續(xù)預(yù)報時前后兩循環(huán)鉆孔應(yīng)重疊5～8 m。

4 結(jié)論

(1)成貴鐵路大方隧道為高風(fēng)險隧道，其主要風(fēng)險形式為巖溶區(qū)段涌水、突泥，應(yīng)對其開展施工臨報。

(2)涌水突泥施工臨報應(yīng)采用掌子面素描、TSP、紅外找水及超前水平鉆相結(jié)合的綜合預(yù)報方法。

(3)各方法的預(yù)報長度是關(guān)鍵控制因素，地質(zhì)素描一般地段10～20 m,復(fù)雜地段每循環(huán)素描一次；TSP的預(yù)報長為100～150 m；紅外找水為30 m;超前水平鉆為10～30 m。