綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)隧道中的應(yīng)用

王 凱 牟元存 李 星

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

在地下工程的前期勘探中，由于資金投入不足、技術(shù)方法的局限或自然條件限制等因素，有時(shí)會(huì)造成勘探精度不足，無法提供足夠詳盡的地質(zhì)資料指導(dǎo)施工[1]。此時(shí)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就可以發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在施工過程中進(jìn)一步查清開挖工作面前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，詳細(xì)探查隱伏不良地質(zhì)，降低地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生幾率和危害程度。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)降低施工成本、保障施工安全有著十分重要的作用[2]。

常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法包括地質(zhì)調(diào)查法、物探法(如地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法等)、鉆探法、超前導(dǎo)坑法等[3]，但考慮到預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展水平和各方法的局限性，采用單一方法難以保證足夠的預(yù)報(bào)精度[4-5]。因此，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道，采用物探、鉆探等多種手段相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，可有效提高預(yù)報(bào)精度，對(duì)優(yōu)化隧道施工組織，指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)變更，調(diào)整和優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)參數(shù)及防護(hù)措施，規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，保障施工安全，有著極其重要的意義[6]。

本文以某鐵路隧道為例，展示綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)隧道施工中的實(shí)際應(yīng)用效果，詳細(xì)闡述了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在探明致災(zāi)軟弱地層與基巖分界面和不良地質(zhì)問題處理過程中的作用。

1 工程地質(zhì)及設(shè)計(jì)概況

某鐵路隧道位于青念青唐古拉山與喜馬拉雅山之間的藏南谷地高山區(qū)，山高谷深，氣候極端惡劣。測(cè)區(qū)范圍內(nèi)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積層的碎石土、沖積層的細(xì)砂、滑坡堆積層的碎石土及上更新統(tǒng)冰水堆積層的卵石土、漂石土。下覆基巖為新元古-中元古界念青唐古拉巖群八拉巖組片麻巖、糜棱巖及碳酸鹽巖塊。測(cè)區(qū)基巖大部分覆蓋，局部裸露，區(qū)內(nèi)發(fā)育五條斷裂：達(dá)希-大莫谷熱斷裂、力底斷裂及三條性質(zhì)不明斷層，節(jié)理裂隙發(fā)育。其中，D2K 387+305～D2K 387+795段隧道穿越第四系上更新統(tǒng)冰水堆積體，堆積物厚度大于200 m，物質(zhì)成份為卵石土和漂石土，該段地下水豐富，工程地質(zhì)條件較差。

根據(jù)前期勘探成果，D2K 387+305～D2K 387+795段設(shè)計(jì)采用地質(zhì)調(diào)查法、地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法及超前鉆探法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探明冰水堆積體的具體位置；施工時(shí)采用超前帷幕注漿堵水，襯砌類型采用Ⅴd型復(fù)合襯砌，拱部設(shè)φ89超前管棚，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)27根，縱向間距6.4 m，單根長10 m，采用臺(tái)階法+臨時(shí)橫撐施工。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施

設(shè)計(jì)資料中冰水堆積體段落長度達(dá)490 m，其中存在最大的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)施工段是由基巖進(jìn)入富水堆積體的段落，若未查清掌子面前方地質(zhì)條件而盲目施工，極易造成突泥涌水、坍塌等工程地質(zhì)問題，帶來不可估量的損失。預(yù)報(bào)報(bào)告表明D2K 387+795～D2K 387+786段為片麻巖，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，因此，本文重點(diǎn)介紹在D2K 387+786～D2K 387+706段內(nèi)，采用綜合預(yù)報(bào)技術(shù)探明基巖與冰水堆積體分界面的情況。

施工過程中，在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用物探、鉆探相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，依據(jù)“宏觀指導(dǎo)微觀預(yù)報(bào)、長距離預(yù)報(bào)指導(dǎo)中短距離預(yù)報(bào)、微觀預(yù)報(bào)驗(yàn)證宏觀預(yù)報(bào)、中短距離預(yù)報(bào)驗(yàn)證長距離預(yù)報(bào)”的工作思路開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，先后開展了TSP法、地質(zhì)雷達(dá)法和超前鉆探法等分項(xiàng)預(yù)報(bào)工作，并對(duì)各種方法的預(yù)報(bào)成果進(jìn)行綜合分析，提高預(yù)報(bào)工作的準(zhǔn)確性和對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)作用。

2.1 地震波反射發(fā)(TSP)

(1)觀測(cè)系統(tǒng)布置及數(shù)據(jù)采集

在該隧道D2K 387+830里程處的左邊墻和右邊墻分別布置1個(gè)地震波信息接收孔，孔徑為50 mm，孔深分別為1.78 m和1.70 m，孔高分別為1.46 m和1.57 m，每個(gè)接收孔各埋設(shè)1支三分量檢波器。在D2K 387+817～D2K 387+794段的左邊墻布置22個(gè)炮孔激發(fā)地震波，炮孔平均間距約為1.0 m，孔徑約40 mm，孔深約1.3 m，每個(gè)激發(fā)孔向下傾斜約10°；第1～22號(hào)激發(fā)孔裝填的藥量60 g。按順序逐個(gè)引爆藥包人工激發(fā)地震波，地震信號(hào)由檢波器接收并傳至儀器記錄單元，形成地震記錄。

(2)數(shù)據(jù)處理及解譯

對(duì)TSP203 Plus儀器采集的數(shù)據(jù)利用TSPwin軟件進(jìn)行處理,通過頻率域?yàn)V波、初至拾取、反射波提取、速度分析和反射界面提取等步驟[7]，獲得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位、物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果資料[8]。

根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)的變化特征、反射界面分布情況以及現(xiàn)場(chǎng)勘察情況分析，解譯得到前方120 m[9]范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。

根據(jù)TSP法二維成果圖，D2K 387+786～D2K 387+755段彈性參數(shù)無明顯變化，表明該段地質(zhì)情況與掌子面情況基本一致，圍巖整體破碎，局部極破碎，節(jié)理、裂隙很發(fā)育，強(qiáng)度低，中等富水，局部存在軟弱夾層；D2K 387+755～D2K 387+735段波速、泊松比、楊氏模量等參數(shù)存在波動(dòng)，反射界面較為密集，表明該段不均勻性增強(qiáng)，推測(cè)該段受冰水堆積層的影響，為基巖向冰水堆積層卵石土過渡段，圍巖極破碎，局部為卵石土，中等～強(qiáng)富水；D2K 387+735～D2K 387+666段波速、楊氏模量等參數(shù)曲線下降，表明該段圍巖強(qiáng)度降低，結(jié)合已有地質(zhì)資料，推測(cè)該段為卵石土，土質(zhì)稍密～密實(shí)，中等～強(qiáng)富水。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是一種電磁波反射法，該方法通過發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，并通過接收天線接收來自不同介質(zhì)界面和目標(biāo)地質(zhì)體的反射電磁波，反射波的幅度、形狀、頻率等特征隨地下介質(zhì)的不同而變化，通過分析反射電磁波的特征即可判識(shí)地下地質(zhì)體的分布情況與物性特征等[10]。地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)以地下介質(zhì)的介電常數(shù)差異為基礎(chǔ)。

開展地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)工作時(shí)，在隧道開挖面上水平布置測(cè)線，采用100 MHz天線對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)。隨后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行文件編輯、水平均衡、零點(diǎn)歸位、數(shù)字濾波、時(shí)深轉(zhuǎn)換等處理步驟后，輸出雷達(dá)深度剖面圖，作為資料解釋的基本圖件。

在開展TSP法預(yù)報(bào)的同時(shí)，在D2K 387+786～D2K 387+706段連續(xù)開展了3次地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)，用來驗(yàn)證TSP預(yù)報(bào)成果的異常，進(jìn)一步查明冰水堆積體的準(zhǔn)確位置，得到的雷達(dá)探測(cè)圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)探測(cè)圖

由圖1可知：

(1)D2K 387+786～D2K 387+761段電磁波反射信號(hào)強(qiáng)，同相軸連續(xù)性差，推測(cè)該段為片麻巖，圍巖整體破碎，節(jié)理、裂隙很發(fā)育，中等富水，穩(wěn)定性差。

(2)D2K 387+761～D2K 387+731段電磁波反射信號(hào)整體較強(qiáng)，同相軸連續(xù)性差，波形較為雜亂，其中D2K 387+744～D2K 387+740段及D2K 387+735～D2K 387+733段反射波能量明顯增強(qiáng)，表明該段圍巖整體破碎，局部極破碎，存在軟弱夾層(如D2K 387+744～D2K 387+740段及D2K 387+735～D2K 387+733段)，節(jié)理裂隙很發(fā)育，中等富水，穩(wěn)定性差～極差。

(3)D2K 387+731～D2K 387+706段電磁波反射信號(hào)整體較強(qiáng)，同相軸連續(xù)性差，波形較為雜亂，特別是D2K 387+721～D2K 387+706段，反射信號(hào)能量明顯增強(qiáng)。結(jié)合地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)揭示情況，推測(cè)D2K 387+731～D2K 387+721段圍巖整體破碎，局部極破碎，節(jié)理裂隙很發(fā)育，D2K 387+721～D2K 387+706段為冰水堆積層卵(碎)石土，中等富水，穩(wěn)定性差～極差。

2.3 超前鉆探法

根據(jù)TSP法、地質(zhì)雷達(dá)法等前期預(yù)報(bào)成果，為驗(yàn)證物探法劃分的異常段落，進(jìn)一步詳細(xì)探明冰水堆積體的詳細(xì)位置，先于掌子面D2K 387+755處布設(shè)5個(gè)超前鉆孔進(jìn)行探測(cè)，后施工至D2K 387+748.6時(shí)，再次在掌子面布設(shè)了5個(gè)超前鉆孔對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況作了進(jìn)一步探測(cè)。鉆孔參數(shù)如表1和表2所示，鉆孔布如圖2所示。

表1 D2K 387+755段鉆孔參數(shù)表

表2 D2K 387+748.6段鉆孔參數(shù)表

圖2 鉆孔布置圖(m)

鉆探結(jié)果表明，D2K 387+755～D2K 387+731段圍巖主體巖性為片麻巖，弱風(fēng)化夾強(qiáng)風(fēng)化，局部夾全風(fēng)化軟夾層，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體極破碎，裂隙水發(fā)育，掌子面前方圍巖存在較多軟巖層段落，極易掉塊、坍塌，總體圍巖自穩(wěn)能力差～極差；D2K 387+731～D2K 387+724段巖性為片麻巖，強(qiáng)風(fēng)化，局部夾全風(fēng)化夾層，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體極破碎，裂隙水發(fā)育，存在較多軟巖層，極易掉塊、坍塌，自穩(wěn)能力差～極差；D2K 387+724～D2K 387+708段完全進(jìn)入冰磧層中，主要為卵石土夾漂石土，地下水很發(fā)育，自穩(wěn)能力極差。

2.4 綜合地質(zhì)分析法

各單一方法預(yù)報(bào)成果能夠相互印證，結(jié)論基本吻合。

為更準(zhǔn)確判斷冰水堆積體的位置與性質(zhì)，對(duì)物探法與鉆探法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果進(jìn)行綜合分析與判斷，并結(jié)合其他相關(guān)地質(zhì)勘探資料，得出了綜合地質(zhì)分析結(jié)論，主要包括：

(1)D2K 387+786～D2K 387+731段內(nèi)主要為片麻巖，圍巖整體破碎，局部極破碎，強(qiáng)度低，節(jié)理裂隙很發(fā)育，中等富水，穩(wěn)定性差～極差，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

(2)D2K 387+731～D2K 387+724段為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，強(qiáng)風(fēng)化夾少部分全風(fēng)化狀，受地質(zhì)構(gòu)造影響極嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育，整體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，地下水發(fā)育，存在較多軟弱夾層，有突泥涌水的風(fēng)險(xiǎn)，圍巖整體穩(wěn)定性差～很差，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

(3)D2K 387+724～D2K 387+706段主要為冰水堆積層的卵石土夾漂石及細(xì)砂，密實(shí)，飽和狀。地下水很發(fā)育，有突泥涌水的風(fēng)險(xiǎn)，整體圍巖穩(wěn)定性很差，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

3 開挖驗(yàn)證情況及處理方案

3.1 開挖揭示情況

(1)開挖揭示D2K 387+786～D2K 387+733段巖性為片麻巖，灰褐色～灰黃色，弱風(fēng)化夾強(qiáng)風(fēng)化狀，受地質(zhì)構(gòu)造影響極嚴(yán)重，節(jié)理很發(fā)育，節(jié)理面銹染現(xiàn)象嚴(yán)重，圍巖整體破碎，呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，基巖裂隙水呈“股狀”發(fā)育特征，無水壓。巖體風(fēng)化強(qiáng)烈加之地下水作用，開挖后拱部及兩側(cè)拱腰部位巖體易產(chǎn)生掉塊、坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，整體圍巖穩(wěn)定性差。

(2)開挖至D2K 387+733時(shí)，掌子面左側(cè)拱腳至拱頂巖性為冰水堆積的碎石土層，掌子面右側(cè)為強(qiáng)風(fēng)化狀片麻巖，拱部及掌子面左側(cè)拱腰股狀出水。

(3)開挖至D2K 387+723.4時(shí)，掌子面巖性為第四系上更新統(tǒng)冰水堆積層之卵(碎)石土夾漂(塊)石土及細(xì)砂，密實(shí)狀，飽和狀。其中卵(碎)石約占80%，粒徑石土約占5%，粒徑200～300 mm，其余為細(xì)砂、粉土填充。地下水呈“股狀”發(fā)育特征，圍巖穩(wěn)定性極差。

綜合以上分析結(jié)果，開挖揭示圍巖情況與綜合預(yù)報(bào)結(jié)論吻合。

3.2 施工方案調(diào)整

采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，基本查明了本段的地質(zhì)情況，施工現(xiàn)場(chǎng)以預(yù)報(bào)結(jié)論為參考依據(jù)，對(duì)施工方案進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，主要包括：

(1)D2K 387+786～D2K 387+741段采用Vc型復(fù)合襯砌，采用全環(huán)I18型鋼架，間距0.8 m/榀，拱部設(shè)φ42超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)27根，縱向間距2.4 m，單根長3.5 m，采用臺(tái)階法施工。為保證施工安全，D2K 387+748.6～D2K 387+736.5段留存部分基巖作為止?jié){盤，D2K 387+741開始施作帷幕注漿。

(2)D2K 387+741處拱部設(shè)一環(huán)φ89管棚超前支護(hù)，環(huán)向間距0.4 m，每環(huán)27根，單根長25 m；D2K 387+741～D2K 387+721段開挖工法、初支及二襯維持原設(shè)計(jì)。

(3)D2K 387+723.4～D2K 387+721.4段設(shè)置 2 m 厚止?jié){墻，D2K 387+721.4～D2K 387+706段采用全斷面超前帷幕注漿加固圍巖，D2K 387+723.4～D2K 387+706段開挖工法、初支及二襯維持原設(shè)計(jì)。

通過以上措施的調(diào)整，有效防止了坍塌、突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害及工程地質(zhì)問題的發(fā)生，為保障人員、設(shè)備安全，節(jié)約工程費(fèi)用起到了重要作用。

4 結(jié)論

(1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)的重要手段，單一的預(yù)報(bào)方法能初步探測(cè)不良地質(zhì)體的位置，劃分其范圍，為實(shí)施超前鉆探法提供靶區(qū)，為綜合預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)資料。

(2)采用物探、鉆探等多種手段的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，不僅能夠約束物探的多解性，還能降低鉆探“一孔之見”的局限性，利用各單一方法的探測(cè)結(jié)果，相互驗(yàn)證，取長補(bǔ)短，提高預(yù)報(bào)精度。

(3)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)有效探明了冰水堆積層等軟弱富水不良地質(zhì)體的位置，為變更設(shè)計(jì)和施工方案的調(diào)整提供依據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，降低施工盲目性，保障施工安全。