鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報距離的規(guī)劃與實踐

況宇亮，徐營營

(1.江蘇華通工程檢測有限公司，江蘇 南京 210000；2.東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

1 超前地質(zhì)預(yù)報方法

1994年，Ladislaus Rybach等提出了TSP地震波探測技術(shù)[1]。2002年，Rafael Otto等研發(fā)了通過超前鉆探、導(dǎo)洞和聲波探測技術(shù)[2]。此后，國內(nèi)隧道超前地質(zhì)預(yù)報研究工作突飛猛進，由最初的引進和借鑒國外先進技術(shù)[3-6]，到后來地質(zhì)雷達法與瞬變電磁法等[7-11]，提出地質(zhì)素描、物探和鉆探配合，長短距離預(yù)報方法共同預(yù)報，預(yù)報資料和地質(zhì)分析互相比對的預(yù)報思路[12]。而后李術(shù)才等進一步闡述了利用地球物理探測定性識別和定量預(yù)報不良地質(zhì)體的空間位置、賦予狀態(tài)和填充特性的工作目標(biāo)[13]。舒森[14]、朱保健[15]、周輪[16]等從各自研究方向分別論述了如何將鉆探、地質(zhì)分析、地質(zhì)雷達法、TSP法同施工開挖相結(jié)合，驗證預(yù)報成果。姜洪亮[17]、蘇濤[18]、袁宗征[19]、蘇森[20]等對瞬變電磁法進行了大量研究，并通過鉆探法驗證預(yù)報準(zhǔn)確性。李術(shù)才[21]等對激發(fā)極化法進行了嘗試，測量半衰時之差參數(shù)，并研發(fā)了隧道超前探測專用激發(fā)極化儀器系統(tǒng)。馬金彪[22]、茍德強[23]、周東[24]等在提出了鉆探、紅外探水、地質(zhì)雷達、TSP多種方法相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法。李術(shù)才等還就TBM施工中的超前地質(zhì)預(yù)報方法進行了探討，提出TBM施工環(huán)境要求預(yù)報定量化、簡單化、快速化、自動化、集成化。汪旭等研究了TBM施工中多元地震干涉法，提出通過長時間疊加反射波能量，來提高合成的反射波圖像的質(zhì)量。徐磊等將綜合超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用于水工隧道中，創(chuàng)新出了同心圓等炮間距垂直反射法觀測系統(tǒng)。王勇等則針對超前地質(zhì)預(yù)報工作實時動態(tài)指導(dǎo)施工的需求，提出了基于網(wǎng)絡(luò)平臺的隧道超前地質(zhì)預(yù)報快速響應(yīng)機制。

1.1 超前地質(zhì)預(yù)報常見方法

鐵路隧道施工中常見的超前地質(zhì)預(yù)報方法有：地表補充調(diào)查、掌子面素描、洞身素描、加深炮孔、超前水平鉆探、超前導(dǎo)坑、地震波反射法(TSP)、電磁波反射法。

地表補充調(diào)查:在設(shè)計圖紙的地質(zhì)勘察資料基礎(chǔ)上，通過實地踏勘隧道區(qū)域地表環(huán)境，記錄巖層褶皺形態(tài)、判斷斷層位置及走向、尋找地表蓄水池及地下水出露點。了解隧址區(qū)域的地質(zhì)條件，運用相關(guān)地質(zhì)理論，對比、分析隧道穿越巖層的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，識別、判斷施工掌子面前方的可能危險源。

掌子面素描:在施工過程中，采用素描、照相、簡記等方法對每進尺對掌子面地質(zhì)情況進行連續(xù)記錄，旨在掌握已開挖段的圍巖地質(zhì)情況及變化趨勢。如對照以往地質(zhì)預(yù)報成果和當(dāng)前實際地質(zhì)情況，可以用于改進超前地質(zhì)預(yù)報方法。

洞身素描:對已開挖段的洞身兩側(cè)及頂面進行地質(zhì)素描，記錄巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙、出水點，可以更加直觀地表現(xiàn)沿著掘進方向的圍巖地質(zhì)變化情況。

加深炮孔:在鉆爆法施工中，若干炮孔采取5°左右外傾并比爆破孔(或循環(huán)進尺)加深3～6 m的布置形式，在鉆孔時觀察卡鉆、涌水等情況，預(yù)告前方近距離的地質(zhì)風(fēng)險。

綜合地質(zhì)勘查資料、地表補充調(diào)查、掌子面素描、洞身素描、加深炮孔等成果，采用地表地質(zhì)投影法、掌子面編錄預(yù)測法。可以根據(jù)地層的產(chǎn)出特征、褶皺斷裂、節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)律，推斷前方的圍巖情況，分析掌子面前方可能出現(xiàn)的巖溶、斷層、軟弱等不良地質(zhì)位置及規(guī)模。

超前水平鉆探:是利用水平鉆機在隧道開挖工作面進行鉆探，可以采用沖擊鉆或回轉(zhuǎn)取芯鉆，鉆孔深度30～50 m，在中等距離上準(zhǔn)確預(yù)告前方富水、溶巖、瓦斯等地質(zhì)風(fēng)險。超前導(dǎo)坑原理與超前水平鉆探相同，可以直接揭露隧道掌子面前方的圍巖地質(zhì)情況，還可以獲得巖石強度等指標(biāo)，是最直接有效的超前地質(zhì)預(yù)報方法，缺點是需要長時間占用掌子面，中斷施工循環(huán)，影響隧道施工進度。

地震反射法:是應(yīng)用最早最廣泛的地球物理方法，其特點是通過監(jiān)測反射的彈性波，對掌子面前方彈性變化明顯的異常體分辨率較高。但缺點是對水和空氣難以區(qū)分，無法判斷斷層、巖溶是否含水。瑞士安伯格公司研制的TSP傳感器采用直線布置方式，對與隧道軸線近似垂直的斷層、巖石界面探測效為準(zhǔn)確，對于與隧道軸線小角度相交的異常界面識別困難，同時由于無法精確標(biāo)定掌子面前方的巖石波速，對于異常界面的定位往往不夠準(zhǔn)確。

電磁波反射法:也稱地質(zhì)雷達法，是為了識別掌子面前方的富水情況被引入到隧道超前地質(zhì)預(yù)報領(lǐng)域。對巖層含水區(qū)域較為敏感，但預(yù)報距離較短(20～30 m)。為了準(zhǔn)確定位地下水、同時消除由電磁波衰減造成的遠(yuǎn)處分辨率下降，國內(nèi)外許多機構(gòu)在上世紀(jì)80年代也開始研究鉆孔地質(zhì)雷達探測技術(shù)。但由于鉆孔占用掌子面施工時間，鉆孔地質(zhì)雷達的應(yīng)用廣泛程度遠(yuǎn)不及常規(guī)地質(zhì)雷達。

1.2 超前地質(zhì)預(yù)報其他可選方法

除了上述常見方法，可選用的超前地質(zhì)預(yù)報方法還有：水平聲波剖面法(HSP)、反射層析成像法(TRT)、陸地聲吶法、瞬變電磁法(TEM)、高分辨直流電法(DC)等等。

水平聲波剖面法(HSP):是由中鐵科研院西南院地質(zhì)所研發(fā)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報的技術(shù)，有隧道兩側(cè)邊墻角布設(shè)鉆孔和貼開挖工作面布置兩種工作方式。HSP和TSP同屬于彈性波反射法，原理相似，區(qū)別主要在于分辨率和預(yù)報距離，HSP分辨率較高，TSP預(yù)報距離較長。

反射層析成像法(TRT):采用敲擊振動產(chǎn)生的橫波代替爆破振動產(chǎn)生的縱波，和TSP相比具有較好的理論精度。但受制于隧道施工現(xiàn)場環(huán)境各類振動源較多，振動橫波成分復(fù)雜，實際應(yīng)用并不廣泛。

陸地聲吶法:與HSP的貼開挖工作面布置工作方式相似，在掌子面上布置正交測點。陸地聲吶法屬于極小偏移距地震波法，反射波能量集中，能夠提高探測分辨率。對中小規(guī)模的溶洞和與隧道軸線小角度相交的異常界面探測效果好。

瞬變電磁法(TEM):是為了探測隧道掌子面前方富水情況，從近地表探測中的瞬變電磁法移植而來。一般采用磁性源向掌子面前方發(fā)射激勵場，通過檢測含水區(qū)域的感應(yīng)渦流來探測掌子面前方的地下水分布，最大探測距離約80 m。

高分辨直流電法(DC):源于通過測定巖石電阻率探礦的傳統(tǒng)方法，通過測量計算各測點的視電阻率曲線，對掌子面前方及四周富水風(fēng)險進行預(yù)告。

2 本隧道綜合預(yù)報體系設(shè)計

天馬隧道位于福建省，連通永春縣和安溪縣，隧址是華南褶皺系一級大地構(gòu)造區(qū)，區(qū)域經(jīng)歷了多旋回構(gòu)造演化，該范圍內(nèi)巖漿侵入活動明顯。隧道部分區(qū)段凝灰質(zhì)砂巖存在順層偏壓情況，施工中存在一定坍塌風(fēng)險。同時，局部夾有炭質(zhì)泥巖、頁巖，可能有瓦斯等有害氣體富積。斷裂構(gòu)造主要為源自蕓美斷裂的次級斷裂，巖層受到區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造影響強烈，節(jié)理裂隙較為發(fā)育。上覆巖質(zhì)為第四系全新統(tǒng)坡殘積層、坡洪積層的粉質(zhì)黏土、碎石土及角礫土；下伏基巖包括：侏羅系凝灰熔巖、侏羅系凝灰質(zhì)砂巖、白堊世花崗巖。隧道開挖可能遇到的地表水和地下水：地表水主要為隧道進、出口附近河水及隧道淺埋段的溪溝水，地下水主要包含第四系巖層孔隙潛水、侏羅系基巖裂隙水?；鶐r裂隙水則以潛水為主，主要由基巖裂隙蓄水，同時局部有脈狀承壓水在斷裂破碎帶中分布。第四系巖層孔隙水少量分布于區(qū)域內(nèi)的河床、溪溝及兩岸、緩坡地帶，主要由粉質(zhì)黏土、碎石土及角礫土等組成，孔隙地下水分布區(qū)域較小，富水性不高，埋藏較淺，水量較貧乏，受季節(jié)性降雨控制，對隧道施工的影響較小。隧道區(qū)域地形地貌為低山丘陵，地面起伏較大，海拔220～753 m，相對高差50～430 m，山坡自然坡度5°～40°，隧道進出口位置的土層、全風(fēng)化層較厚，植被茂盛。根據(jù)區(qū)域的巖質(zhì)巖性、構(gòu)造、水文、地形、地貌條件等進行隧道施工期涌水量估計，按照降水入滲系數(shù)法和地下水徑流模數(shù)法計算得到隧道涌水量

Qs=15 140 m3/d，Qmax=30 280 m3/d。

天馬隧道穿越斷層破碎帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，因此綜合采用了掌子面素描、加深炮孔、地震反射法(TSP)、地質(zhì)雷達等超前地質(zhì)預(yù)報手段。以上各種方法各有局限又互有優(yōu)勢，根據(jù)木桶效應(yīng)，需要以地質(zhì)調(diào)查法為核心，綜合利用TSP、地質(zhì)雷達等物探手段，相互配合、補齊短板。通過以上分析，可以得出“洞內(nèi)外結(jié)合、長短預(yù)報相結(jié)合”的超前地質(zhì)預(yù)報原則。在設(shè)計圖紙的超前地質(zhì)預(yù)報計劃的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述隧道超前地質(zhì)預(yù)報原則，制定地質(zhì)構(gòu)造超前預(yù)報流程。

根據(jù)上述超前地質(zhì)預(yù)報原則和預(yù)報方法，制定天馬隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作流程。首先，收集地質(zhì)勘察和隧道設(shè)計資料，研讀辨析找出需要補充調(diào)查的區(qū)域；然后，利用地表補充調(diào)查、地質(zhì)素描等方法，確定斷層和承壓地下水在隧道掌子面前方大概位置，預(yù)測富水段和涌水量；最后，結(jié)合掌子面素描、加深炮孔，合理采用地質(zhì)雷達、TSP等物探手段，安全可靠、經(jīng)濟合理、省時高效地進行超前地質(zhì)預(yù)報。

3 工程應(yīng)用情況

3.1 掌子面素描

掌子面素描通過人工現(xiàn)場試驗、觀察，記錄隧道圍巖實際情況，依據(jù)規(guī)范判定圍巖級別。天馬隧道施工過程中，全長均進行了掌子面素描，記錄了實際圍巖狀況，據(jù)此得出各區(qū)段實際圍巖級別。將實際圍巖級別與物探法的預(yù)報結(jié)果比對，一方面驗證物探法是否預(yù)報準(zhǔn)確，另一方面修正地質(zhì)勘察結(jié)果和地質(zhì)分析結(jié)論。

3.2 加深炮孔

天馬隧道施工過程中綜合圍巖等級和地質(zhì)構(gòu)造，將圍巖等級IV級、V級以及有斷層、節(jié)理裂隙、巖層角度不整合接觸等區(qū)域列為中等復(fù)雜地質(zhì)條件。對于中等復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)域，進行了5孔加深炮孔預(yù)報。加深炮孔在掌子面布設(shè)炮孔時同步進行，施工過程中未發(fā)現(xiàn)加深炮孔涌水現(xiàn)象，說明隧道穿越區(qū)域地下水貧乏，涌水風(fēng)險較低。

3.3 雷達法

地質(zhì)雷達法的優(yōu)勢在于對掌子面前方富水區(qū)域有較高分辨能力，可以預(yù)報掌子面前方30 m范圍內(nèi)的溶洞、涌水風(fēng)險。天馬隧道穿越區(qū)域地下水貧乏，根據(jù)地勘資料及設(shè)計圖紙要求，僅在洞口段(進口DK396+737～DK396+767、出口DK406+045～DK406+075)及下穿蒲永高速天馬山隧道段(DK400+750～DK401+020)實施地質(zhì)雷達預(yù)報。每次預(yù)報距離30 m，為確保安全，兩次預(yù)報間重疊5 m，有效預(yù)報距離25 m。

3.4 地震波法(TSP)

采用地震波法進行隧道超前地質(zhì)預(yù)報的優(yōu)勢在于預(yù)報距離長，減少超前地質(zhì)預(yù)報工作對施工循環(huán)的干擾和中斷。天馬隧道在地質(zhì)情況中等復(fù)雜的區(qū)間，廣泛采用地震波法進行超前地質(zhì)預(yù)報。每次預(yù)報距離110 m，為確保安全，兩次預(yù)報間重疊15 m，有效預(yù)報距離95 m。匯總地震波法和雷達法的預(yù)報成果，得到各區(qū)段物探預(yù)報圍巖級別如圖1所示。

4 預(yù)報成果及討論

天馬隧道共進行了82次物探預(yù)報，其中地震波法68次，地質(zhì)雷達法14次，預(yù)報距離4 550 m。設(shè)計地勘資料判斷V級圍巖的軟弱破碎區(qū)段共9段，開挖揭露實際圍巖為V級區(qū)段僅5段，其中成功預(yù)報4處，預(yù)報準(zhǔn)確率較高。導(dǎo)致漏報風(fēng)險點出現(xiàn)的主要原因是預(yù)報方法單一。由于地下水貧乏，地質(zhì)雷達法預(yù)報效果不夠理想，所以天馬隧道主要采用地震波法進行預(yù)報。受儀器性能、現(xiàn)場環(huán)境、操作人員水平等限制，單一方法預(yù)報準(zhǔn)確率不高，如果當(dāng)初能夠適當(dāng)配合超前水平鉆法，會取得更好效果。

根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況，對于圍巖狀況較差區(qū)段，縮短了預(yù)報距離，其中有效距離35 m的預(yù)報16次(探測50 m、疊加15 m)，有效距離65 m的預(yù)報32次(探測80 m、疊加15 m)，有效距離95 m的預(yù)報32次(探測110 m、疊加15 m)。探測圍巖級別偏差的情況有6次，圍巖變化里程偏差的情況8次，具體匯總?cè)绫?所示。

表1 地震波法預(yù)報準(zhǔn)確率統(tǒng)計表

從上表可以看出，當(dāng)預(yù)報距離接近儀器設(shè)備最大有效探測距離(110 m)時，預(yù)報準(zhǔn)確率會逐步下降，增加漏報、錯報風(fēng)險。合理規(guī)劃單次預(yù)報距離、動態(tài)調(diào)整實施計劃是提高超前地質(zhì)預(yù)報工作準(zhǔn)確度的有效措施。

5 結(jié) 語

(1)天馬隧道預(yù)報的漏報、錯報率控制在25%以內(nèi)，說明在認(rèn)真進行地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合長短距離物探方法，采用合理的預(yù)報工作體系，可以有效提高速鐵路施工安全性。

(2)當(dāng)預(yù)報距離接近最大有效探測距離時，預(yù)報準(zhǔn)確率會逐步下降。合理規(guī)劃單次預(yù)報距離、動態(tài)調(diào)整實施計劃是提高超前地質(zhì)預(yù)報工作準(zhǔn)確度的有效措施。