隧道超前地質(zhì)預(yù)報中幾個問題的探討

黃新連

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

超前地質(zhì)預(yù)報作為隧道等地下工程規(guī)避施工風(fēng)險,保證施工和運營安全的一項重要工程措施,在各類地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。筆者通過宜萬鐵路34座復(fù)雜巖溶隧道近6年超前預(yù)報工作的經(jīng)驗總結(jié),對以下一些問題進(jìn)行了探討。

1 超前地質(zhì)預(yù)報是隧道勘察階段綜合勘探在施工階段的延續(xù)

復(fù)雜隧道有可能引發(fā)大型地質(zhì)災(zāi)害不良地質(zhì)體的空間位置和規(guī)模,需要采取超前預(yù)報的措施在工程揭示前進(jìn)行準(zhǔn)確探測,以達(dá)到規(guī)避施工風(fēng)險的目的。因此,超前地質(zhì)預(yù)報可以定義為復(fù)雜隧道的工程地質(zhì)綜合勘探,在施工階段和工程施工場地條件下的延續(xù),用以解決地面勘察階段由于技術(shù)手段、地形條件限制而不能解決或達(dá)不到設(shè)計要求的工程地質(zhì)問題。

超前預(yù)報必須在既有勘探資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行。一般都應(yīng)該根據(jù)地面勘探資料對隧道進(jìn)行工程風(fēng)險級別劃分。宜萬鐵路是將復(fù)雜巖溶隧道的風(fēng)險等級劃分為A、B、C三個等級[1-5],把區(qū)域性的導(dǎo)水或貯水構(gòu)造、巖溶發(fā)育區(qū)段、重大物探異常等位置劃歸為A級地段,作為超前預(yù)報的重點,進(jìn)行綜合超前探測；通過綜合分析后認(rèn)為不存在施工風(fēng)險的地段歸為C級,除了正常的地質(zhì)素描外不進(jìn)行超前探測工作；對介于A、C之間的B級地段,則根據(jù)地面勘探資料和施工過程中的地質(zhì)變化情況,進(jìn)行相應(yīng)的超前探測工作[1,3]。

2 超前預(yù)報的工作內(nèi)容及要求

超前預(yù)報的目的是要提前發(fā)現(xiàn)工作面前方或隧道周邊有可能引起地質(zhì)災(zāi)害不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模,對可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的程度進(jìn)行預(yù)警。

2.1 地質(zhì)素描

地質(zhì)素描是超前預(yù)報的一項基礎(chǔ)資料收集工作,主要通過對工作面及周邊的圍巖巖性、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理裂隙、結(jié)構(gòu)面和地下水等情況的描述,結(jié)合其他超前預(yù)報資料和地面勘察資料,推測工作面前方圍巖情況的改變[1,5]。

2.2 工作面上的超前探測

工作面上的超前探測是地質(zhì)超前預(yù)報的主體,物探和鉆探是超前探測的主要手段,用于探測工作面穩(wěn)定巖盤[3]前方溶洞、斷層和含水裂隙的具體位置,水量水壓的大小,推測其對施工安全的影響,為相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案制定提供資料。

2.3 水文觀測

復(fù)雜巖溶隧道施工,高壓充水溶洞或地下暗河造成的突水突泥是最主要的安全隱患。因此,應(yīng)在施工過程中進(jìn)行水文觀測,探查研究地下水或地下暗河與隧道中突涌水點之間的關(guān)系[6],并通過長期的水文觀測掌握隧道涌水量和水壓力隨季節(jié)的變化規(guī)律及其在不同強(qiáng)度暴雨過程中的滯后和延遲情況,建立復(fù)雜巖溶隧道的突涌水模式,預(yù)測可能發(fā)生的災(zāi)害性突涌水的時間和空間。

2.4 隧底及周邊隱伏不良地質(zhì)體的探測

對于復(fù)雜的巖溶隧道,隧底及周邊一定深度范圍內(nèi)的隱伏巖溶或其他不良地質(zhì)體有可能在工后或運營期間形成突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,應(yīng)在線下主體工程完成前及時發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行必要的處理,才能保證隧道工后工程和運營期間的安全。圖1是宜萬鐵路長鷹壩隧道在隧道主體工程完工后通過對隧底及周邊探測發(fā)現(xiàn)的隧底大型隱伏溶洞[4]。

圖1 長鷹壩隧道隧底溶洞DK238+800橫斷面

3 超前預(yù)報中應(yīng)注意的幾個問題

通過宜萬鐵路34座高風(fēng)險巖溶隧道長達(dá)近6年的超前預(yù)報工作,我們認(rèn)為以下一些問題值得注意和商討。

3.1 超前預(yù)報應(yīng)針對的主要地質(zhì)問題

首先,超前預(yù)報只應(yīng)用于復(fù)雜隧道的風(fēng)險地段,并針對具體的地質(zhì)問題進(jìn)行,忌諱沒有重點的全面采用,才能在規(guī)避工程風(fēng)險的同時保證工程進(jìn)度,降低工程造價。超前地質(zhì)預(yù)報主要解決3個方面的地質(zhì)問題[7]：

①對施工前方具有大規(guī)模突水突泥地質(zhì)災(zāi)害不良地質(zhì)體的規(guī)模和位置進(jìn)行探測,并對有可能形成的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警,主要針對區(qū)域性的導(dǎo)水、佇水構(gòu)造和位于地下水水平循環(huán)帶中的大型溶洞。圖2為宜萬鐵路別巖槽隧道在DK406+422處揭示的大型溶洞,溶洞揭示時的瞬間突水達(dá)30 km3。

②在施工揭示大型不良地質(zhì)體后尋找可以繞行通過的地段。圖3為宜萬鐵路云霧山隧道在DK247+560揭示大型溶洞后,根據(jù)超前預(yù)報資料確定的左繞方案,順利地通過溶洞地段,為繼續(xù)掘進(jìn)和溶洞整治贏得了時間。

圖2 別巖槽+422突水后的溶腔實測橫斷面

圖3 DK247+562～DK247+445段溶腔平面形態(tài)

③要查明隧底和周邊的大型隱伏不良地質(zhì)體(如圖1),保證隧道的后期施工和運營安全。

3.2 超前預(yù)報應(yīng)采用綜合探測手段

在目前的技術(shù)條件下,超前預(yù)報的主要探測手段是物探和鉆探。物探是一種間接的探測手段,探測效果受到場地條件、施工環(huán)境和方法本身多解性的影響及分辨率的限制；而鉆探由于需要長時間占用工作面而不能大量采用,限制了其發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)體的能力；這就需要采取綜合的超前探測手段,才能保證既能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)可以造成地質(zhì)災(zāi)害的不良地質(zhì)體,又盡可能少的占用工作面。在宜萬鐵路的超前預(yù)報工作中,通過不斷的總結(jié),得出了物探與鉆探相結(jié)合、長距離探測與短距離探測相結(jié)合的綜合探測方法[7],保證了復(fù)雜巖溶隧道的施工安全。其中長距離探測的物探方法主要是地震反射波法,發(fā)現(xiàn)了施工中揭示的30%的不良地質(zhì)體；短距離探測方法主要為超長炮孔,約60%的不良地質(zhì)體被其提前發(fā)現(xiàn)。

圖4 不同震源在硬巖上擊發(fā)所形成的功率譜

3.3 地震反射波法的分辨率

地質(zhì)雷達(dá)受限于隧道工作面的場地條件,且探測距離短。目前,能用于隧道超前預(yù)報、并能根據(jù)時距關(guān)系進(jìn)行定量解釋的方法只有地震反射波法。而地震反射法的分辨率受限于地震波在地層中的傳播速度和震源在巖體上擊發(fā)的振動頻帶,圖4是不同的激振方式在硬巖上擊發(fā)所形成的功率譜,其中圖4(a)為炸藥爆炸的功率譜,圖4(b)為錘擊擊發(fā)的功率譜,圖4(c)為超磁震源擊發(fā)的功率譜[4]。從圖4中可發(fā)現(xiàn),超磁震源擊發(fā)的頻帶寬度最大,頻帶上限達(dá)到600 Hz左右,炸藥和錘擊擊發(fā)的頻帶寬度近似。以超磁震源為例,取600 Hz的頻帶上限,假定硬巖的彈性波速度為5 km/s,則根據(jù)取樣定理計算出地震反射法的最高分辨率應(yīng)為2.1 m。也就是說,采用地震反射法進(jìn)行超前探測,能被其發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)體規(guī)模至少在2 m左右[8-10]。

3.4 超前預(yù)報結(jié)果不能作為隧道圍巖變更的依據(jù)

在隧道超前預(yù)報工作中,無論是施工方還是建設(shè)方都希望能根據(jù)超前預(yù)報的結(jié)果進(jìn)行隧道圍巖的變更,就目前的超前預(yù)報技術(shù)水平來說,這一要求是不現(xiàn)實的。應(yīng)該說鉆探結(jié)果由于其直觀性,可以作為圍巖變更的依據(jù),但實際操作過程中,為了盡可能少的占用工作面,除特殊情況外,都是采用不取芯鉆探,導(dǎo)致鉆探結(jié)果不能對前方圍巖變化情況做出直接判斷。彈性波速度參數(shù)雖然與巖體的力學(xué)特征有直接的關(guān)系,可以根據(jù)速度參數(shù)劃分巖體的圍巖級別,但反射法通過反演計算得出的彈性波速度不是巖體的真速度,這是因為在施工過程中,為了隧道壁的穩(wěn)定和安全,一般都采用了支撐和掛網(wǎng)噴護(hù)等措施,這時所接收到的地震波初至,不是震源到拾震器間的直達(dá)波,而是沿支撐面滑行的折射波。在宜萬鐵路的大型溶洞充填物中,所測得的直達(dá)波速度都達(dá)到了6～7 km/s,這都是沿支撐面滑行的折射波速度,用這個速度作為地震反演的初速度不可能獲得巖體的真速度。因此,超前預(yù)報資料不應(yīng)該也不可能進(jìn)行隧道圍巖級別定[8]。

3.5 有關(guān)超前預(yù)報結(jié)果的時效性問題

超前預(yù)報的目的是要即時發(fā)現(xiàn)工作面前方的不良地質(zhì)體,保證施工安全,因此對超前預(yù)報資料的時效性要求甚高。越是具有施工風(fēng)險的預(yù)報結(jié)果,其成果的提交越應(yīng)及時,一般應(yīng)在超前探測工作結(jié)束后一個開挖循環(huán)的時間段內(nèi)提交資料,以規(guī)避施工風(fēng)險。如果不能及時提交,則超前預(yù)報資料就失去了規(guī)避風(fēng)險的意義。

4 結(jié)束語

超前地質(zhì)預(yù)報是施工地質(zhì)的一部分,與施工地質(zhì)的區(qū)別就在于超前預(yù)報的重點是發(fā)現(xiàn)問題,并對其可能造成的地質(zhì)災(zāi)害提出預(yù)警,而施工地質(zhì)重點是揭示問題之后,查清該問題段的工程地質(zhì)特性。以上有關(guān)問題的討論,是基于宜萬鐵路復(fù)雜巖溶隧道進(jìn)行的,不一定具有普遍性,僅供超前預(yù)報同行在類似地質(zhì)條件下進(jìn)行超前預(yù)報工作時參考。

[1]鐵道部宜萬鐵路指揮部 宜萬鐵路復(fù)雜巖溶隧道施工地質(zhì)細(xì)則[S]

[2]顧湘生.宜萬鐵路深埋復(fù)雜巖溶隧道綜合勘察與整治技術(shù)研究[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院,2009

[3]顧湘生.復(fù)雜巖溶隧道施工地質(zhì)超前探測成套技術(shù)研究[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院,2010

[4]李越興.地震反射波法在宜萬鐵路巖溶探中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2007(2)

[5]鐵建設(shè)[2008]105號 鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)指南[S]

[6]鄧誼明.八字嶺隧道牛鼻子暗河示蹤試驗成果分析[R].鐵道勘察,2007(3)

[7]曹哲明.超前預(yù)報在隧道施工中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2007(3)

[8]曹哲明.TSP的超前預(yù)報效果和存在問題[J].工程物探,2005(3)

[9]肖樹安.復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道地質(zhì)超前探測技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2004(增刊)

[10]趙 勇.TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)在隧道工程中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù),2003(5)