超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在淘金山隧道施工中的綜合應(yīng)用

余廣勝

1 前言

向莆鐵路淘金山隧道位于福建省沙縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)為單洞雙線，隧道全長8093m，洞身最大埋深252.77m，最大開挖斷面145m2。該隧道為我指揮部地質(zhì)條件較復(fù)雜的隧道，為了有效防范并降低施工風(fēng)險，做到隧道開挖支護(hù)為動態(tài)施工，通過采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，即地質(zhì)素描法、超前水平鉆孔法、TSP203法，以獲取開挖面前方不良地質(zhì)信息，便于及時調(diào)整隧道施工方案，指導(dǎo)隧道安全施工，避免發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。經(jīng)現(xiàn)場施工應(yīng)用，預(yù)報(bào)工作取得了較好效果，基本滿足了施工現(xiàn)場安全的要求。

2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，隧道通過地段為低山丘陵地貌，屬構(gòu)造剝蝕山地。隧址區(qū)系武夷山脈的中部南側(cè)，區(qū)域構(gòu)造上處于閩西南坳陷帶的東北部，近鄰閩西北隆起帶。區(qū)域性政和～大埔北東向斷裂在測區(qū)的南東部通過。本測區(qū)構(gòu)造以北東向?yàn)橹黧w，主要表現(xiàn)為走向NE～SW擠壓斷裂帶和裂隙帶。隧道區(qū)分布的地層較復(fù)雜，由老至新有元古代黃潭組、侏羅系下統(tǒng)梨山組、白堊系下統(tǒng)石帽山群黃坑組上下段、寨下組、均口組、次石英斑巖。此外零星分布有第四系坡殘積層和沖洪積層。隧道穿越的圍巖主要有：云母片巖、凝灰?guī)r、潛石英正長斑巖等。隧道區(qū)發(fā)現(xiàn)斷層9條，走向以北東向?yàn)橹鳎瑐€別走向北西，斷層規(guī)模一般8～20m，以壓性、壓扭性為主，個別張扭性，其中與隧道中線相交的有7條，斷層圍巖穩(wěn)定性差，斷層主要為碎裂巖、角礫巖、麋棱巖等，其中7個斷層（F2、F2-1、F3、F4、F6、F7、F9）均為強(qiáng)富水帶。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原理及方法

3.1 地質(zhì)素描

全隧道均采用全斷面地質(zhì)素描。地質(zhì)素描的主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造發(fā)育情況（含斷層、貫穿性節(jié)理、夾層或巖脈）、地下水的出水狀態(tài)、圍巖的穩(wěn)定性等。

開挖后利用地質(zhì)錘、放大鏡等工具對開挖面圍巖類別、巖性、圍巖風(fēng)化變質(zhì)情況、節(jié)理裂隙、產(chǎn)狀、斷層分布和形態(tài)、地下水等情況進(jìn)行觀察和測定后，繪制地質(zhì)素描圖，通過對洞內(nèi)圍巖地質(zhì)特征變化分析來推測開挖面前方較短距離的地質(zhì)情況，據(jù)以指導(dǎo)施工。

全斷面地質(zhì)素描應(yīng)在每次開挖后立即進(jìn)行，并及時繪制地質(zhì)素描圖，填寫施工階段圍巖級別判定卡。

3.2 超前地質(zhì)水平鉆孔

隧道Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地段除開挖后進(jìn)行地質(zhì)素描外，還結(jié)合采用TSP203及超前水平鉆孔（孔徑φ50，每斷面3孔，詳見圖1）探測前方地質(zhì)情況。

超前地質(zhì)水平鉆孔是利用水平鉆機(jī)在隧道掌子面進(jìn)行水平地質(zhì)鉆探，從而獲取地質(zhì)信息的一種方式。通過水平鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中的鉆速、沖洗液、巖屑和巖粉的變化來判斷開挖面前方較短距離內(nèi)的地質(zhì)情況，為提高其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，與地質(zhì)素描配套使用。

根據(jù)淘金山隧道實(shí)際地質(zhì)情況，采用MKD-5S型全液壓水平鉆機(jī)。每30m一個循環(huán)，每循環(huán)搭接長度為5m。超前水平鉆成孔（布孔見圖1）口徑需滿足取樣、測試和鉆進(jìn)工藝的要求。施工現(xiàn)場做好施工記錄，如進(jìn)尺速度、深度、涌水點(diǎn)及涌水情況、巖性變化等。結(jié)合開挖面地質(zhì)素描，按鉆孔參數(shù)初步判斷前方地質(zhì)和涌水情況。

3.3 TSP203地質(zhì)預(yù)報(bào)

TSP203地質(zhì)預(yù)報(bào)，屬于多波多分量高分辨率地震波反射法，利用地震波的反射原理進(jìn)行地質(zhì)探測（圖2）。該設(shè)備和技術(shù)特別適用于高分辨率的折射微地震探測，以及對斷裂帶和巖體強(qiáng)度降低的軟弱破碎帶的探測，對于掌子面前方及其周圍的地質(zhì)界面情況的位置，均用數(shù)據(jù)處理后的圖象來直觀反映。

地震波在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)（根據(jù)地層或構(gòu)造的走向，通常在隧道的左或右邊墻，一般24個炮點(diǎn)，見圖3）用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，激發(fā)地震波時，采用無爆炸延遲時的瞬發(fā)電雷管，防水乳化炸藥，藥量為67～100克。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震波信號將被高靈敏度的加速度地震傳感器接收并以數(shù)字形式記錄下來。

采集數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件處理,便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等)和位置及規(guī)模。軟件處理流程包括11個主要步驟，即: 數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計(jì)→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。處理的最終成果包括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)以及反射層在探測范圍內(nèi)的2D和3D空間分布等。通過速度分析，可以將反射信號的傳播時間轉(zhuǎn)換為距離(深度)。數(shù)據(jù)處理結(jié)果,可以用與隧道軸的交角及隧道工作面的距離來確定反射層所對應(yīng)的地質(zhì)界面的空間位置，并根據(jù)反射波的組合特征及其動力學(xué)特征解釋地質(zhì)體的性質(zhì)。對剪切橫波的數(shù)據(jù)分析能籍以提高含水?dāng)嗔褞Ш偷刭|(zhì)構(gòu)造走向的辨識率。

根據(jù)淘金山隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具體要求，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地段（包括F1、F2、F2-1、 F3、F4、F6、F7、F9斷層破碎帶）均采用TSP203進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。全隧道共需TSP203探測10次，每次探測需在探測里程前方10m位置開始探測，具體探測位置為：DK340+077、DK340+235、DK340+710、DK341+090、DK341+360、DK342+980、DK343+095、DK343+330、DK344+380和DK345+170。

從預(yù)報(bào)的結(jié)果看，對不同巖體及斷層帶等界面、富水地段的預(yù)報(bào)效果較好，同時預(yù)報(bào)距離長，約為掌子面前方120m。同時，對施工干擾較少，每次爆破記錄時間僅需45min，整個量測循環(huán)可在2h內(nèi)完成。

4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息處理

為實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的，貫徹?cái)?shù)據(jù)信息化指導(dǎo)隧道施工，防止隧道坍塌和突、涌水等災(zāi)害，施工過程中要建立完善的信息化處理流程，以保證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提供準(zhǔn)確可靠的信息反饋資料，保證隧道施工安全。

此外，應(yīng)配備掌握地質(zhì)判譯技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)豐富的地質(zhì)工程師組建地質(zhì)預(yù)報(bào)組。依據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)各階段的預(yù)報(bào)資料，及時進(jìn)行前方地質(zhì)分析，調(diào)整各類施工技術(shù)方案，保證順利通過不良地質(zhì)體。

通過三種方法收集開挖面前方不同距離的地質(zhì)信息，結(jié)合設(shè)計(jì)地質(zhì)資料，進(jìn)行綜合分析、判斷，并將處理結(jié)果反饋給施工，及時調(diào)整施工方法和支護(hù)參數(shù)，確保隧道施工安全。

5 結(jié)語

通過以上綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段的應(yīng)用，對隧道地質(zhì)異常的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度達(dá)到了預(yù)期效果，使得隧道開挖已安全通過五個斷層帶，確保了隧道施工安全，這些成果在后續(xù)鉆探和開挖施工中將繼續(xù)得到驗(yàn)證和應(yīng)用。

有效綜合應(yīng)用全斷面地質(zhì)素描、超前水平地質(zhì)鉆孔、TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，三種手段相互驗(yàn)證，長短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合，一定程度上為隧道施工實(shí)現(xiàn)安全、快速、高效施工提供了技術(shù)保障。

目前，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)仍然是基于一定的物探方法，由于物探方法的間接性及多解性，以及各種預(yù)報(bào)方法都有一定的局限性，加之預(yù)報(bào)人員的地質(zhì)判譯經(jīng)驗(yàn)、對隧道所在地區(qū)地質(zhì)背景的掌握程度等因素，均有可能影響預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。因此需要預(yù)報(bào)人員大量的工程實(shí)踐，并在施工中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張景科,諶文武,雷啟云. TSP203地質(zhì)超前預(yù)報(bào)原理及精度提高的途徑[J].西部探礦工程, 2005, (7):