超前地質(zhì)綜合預報技術(shù)在基巖裂隙水隧道中的應(yīng)用

王 俊

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055）

超前地質(zhì)綜合預報技術(shù)在基巖裂隙水隧道中的應(yīng)用

王 俊

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055）

超前地質(zhì)預報是高風險隧道施工過程中不可或缺的一項工作,對確保施工生產(chǎn)安全起著至關(guān)重要的指導作用。在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,提出一種綜合預報技術(shù)方法,并以中國某重載鐵路基巖裂隙水隧道為實例,詳細闡述了該方法在隧道涌水預測方面的應(yīng)用,初步探討綜合預報技術(shù)的可行性及今后隧道超前地質(zhì)預報工作的發(fā)展方向。

隧道 超前地質(zhì)預報 綜合預報

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,隧道施工安全問題越來越受到社會各界的關(guān)注。隧道施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的突水、突泥、坍塌、瓦斯燃燒等事故不僅可能直接或間接導致人員傷亡,還會給現(xiàn)場作業(yè)帶來極大麻煩與挑戰(zhàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計,因水文、地質(zhì)問題而造成的現(xiàn)場停工時間約占施工總工期的1/3～1/4[1]。為有效規(guī)避施工安全風險和最大程度的減輕地質(zhì)災(zāi)害損失,超前地質(zhì)預報研究工作具有十分重要的現(xiàn)實意義。

自鐵建設(shè)〔2010〕120號文件要求將高風險軟弱圍巖及不良地質(zhì)隧道超前地質(zhì)預報責任主體劃歸為設(shè)計單位后,隧道超前地質(zhì)預報工作已引起各設(shè)計院的高度重視。

1 超前地質(zhì)預報工作簡介及綜合預報技術(shù)

1.1 超前地質(zhì)預報工作內(nèi)容

隧道深埋地下,工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復雜、多變,期望在勘測設(shè)計階段完全查明隧道工程的巖體構(gòu)造、狀態(tài)、特性,特別是不良地質(zhì)體的確切位置、規(guī)模等是十分困難的[2]。隧道超前地質(zhì)預報正是因為其能對開挖工作面前方的地質(zhì)情況作出判斷與預測,從而成為指導隧道安全施工不可或缺的一項工作。一般情況下,隧道超前地質(zhì)預報工作的主體內(nèi)容包括以下四個方面[3]：

①地層巖性預測預報,特別是對軟弱夾層、破碎地層的預測預報。

②地質(zhì)構(gòu)造預測預報,特別是對斷層、節(jié)理密集帶、褶皺軸等影響巖體完整性構(gòu)造發(fā)育情況的預測預報。

③不良地質(zhì)預測預報,特別是對巖溶、人為坑洞、瓦斯等發(fā)育情況的預測預報。

④地下水預測預報,特別是對巖溶管道水及富水斷層、富水褶皺軸、富水地層中的裂隙水等發(fā)育情況的預測預報。

1.2 超前地質(zhì)預報工作進展

縱觀我國隧道超前地質(zhì)預報工作的進展,主要歷經(jīng)下面幾個階段：①起步階段。20世紀50年代至80年代,主要采用超前地質(zhì)導坑、水平超前鉆探等簡單實用的方法進行預測預報,此類方法預報距離短且大量占用施工時間。②摸索階段。20世紀80年代至90年代,國內(nèi)超前地質(zhì)預報工作除在超前鉆探現(xiàn)場作業(yè)方面做過大量改進研究外,還將物探技術(shù)成功應(yīng)用（設(shè)備依靠國外引進與自主研發(fā)）,并逐步建立和完善物探預報理論體系。③應(yīng)用成熟階段。進入21世紀后,TSP202和TSP203、地質(zhì)雷達和陸地聲納等設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各施工隧道超前地質(zhì)預報工作中[4]。針對預報存在的重大誤差問題,其原因也在積極探索之中。

1.3 綜合預報技術(shù)的提出

當今采用的超前地質(zhì)預報方法主要包括地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法和超前導坑預報法。從各類物探設(shè)備的應(yīng)用情況來看,單一預報方法其預報準確度并非十分可靠,不同預報方法對不同地質(zhì)缺陷的預報效果也不盡相同,目前還沒有哪種設(shè)備能對各種地質(zhì)缺陷做出準確預報[5]。

由此可見,為了提高預報準確性,有必要展開綜合預報技術(shù)研究,本文結(jié)合某高風險隧道超前地質(zhì)預報工作實例,提出一種“長距離預報與中短距離預報相結(jié)合、物探預報與地質(zhì)預報相結(jié)合、微觀與宏觀相結(jié)合”的綜合預報方法。

2 綜合預報技術(shù)的應(yīng)用實例及其效果檢驗

中國某重載鐵路隧道位于震旦系下統(tǒng)串嶺溝組（Z1ch）砂巖、石英砂巖地層中,基巖裂隙水較為發(fā)育。該隧道在開挖過程中,地下水沿基巖裂隙向坑洞內(nèi)滲出,局部水體呈線狀或股狀,隧道涌水給現(xiàn)場施工帶來極大麻煩。為確保隧道施工的安全和質(zhì)量,超前地質(zhì)預報工作在采用TSP（Tunnel Seismic prediction）反射地震預報方法進行長距離預報的同時,選擇HW-304紅外探測儀對工作面前方30m范圍內(nèi)可能存在的隱伏含水體實施方位探測,并結(jié)合宏觀水文地質(zhì)條件總結(jié)與微觀現(xiàn)場工作面及邊墻出水情況觀測,最終根據(jù)上述多方面分析結(jié)果,針對工作面前方掘進施工做出合理化結(jié)論與規(guī)范化建議。

TSP探測結(jié)果見圖1。

TSP探測結(jié)論見表1。

表1 TSP探測結(jié)論內(nèi)容

圖1 TSP在DK790+518工作面的探測結(jié)果

紅外探水探測結(jié)果見圖2與圖3。紅外探水結(jié)論見表2。

圖2 紅外探水在DK790+518工作面的探測結(jié)果

圖3 紅外探水在隧道走向上的探測結(jié)果

表2 紅外探水結(jié)論

DK790+518工作面地質(zhì)素描情況：震旦系串嶺溝組紫紅色砂巖、石英砂巖,中厚層狀,層厚20～30cm,局部夾薄層泥巖,巖體較完整；砂巖巖層產(chǎn)狀：265°∠4°,主要發(fā)育兩組節(jié)理,節(jié)理面產(chǎn)狀分別為160°∠85°和60°∠69°,節(jié)理間距分別為1.5～2.5m和1～1.5m,均為密閉型,延伸長度0.5～1m。

從現(xiàn)場工作面及邊墻出水情況來看,在DK790+ 518處地下水主要以漫流或散流的形式沿基巖裂隙涌出,局部地段地下水體呈線狀（未見股狀水體）。從洞身所處的水文地質(zhì)條件來看,隧道穿越含水地層以震旦系串嶺溝組砂巖基巖裂隙水含水層為主,裂隙的張開度及連通性一般,隧道涌水主要來源于含水層中的靜儲量。結(jié)合TSP與紅外探水探測結(jié)果可以判斷,隧道涌水可能會隨著工作面的掘進而發(fā)生增大現(xiàn)象,這種增大現(xiàn)象在DK790+450～DK790+382段的表現(xiàn)可能最為明顯,而后到了DK790+382～DK790+370段可能又會恢復正常。作出綜合預報結(jié)論如下：

①DK790+518～DK790+450段。應(yīng)嚴格按照施工圖進行開挖施工,及時做好相應(yīng)支護,注意防排水,并做好中短距離的預報工作,以規(guī)避安全風險。

②DK790+450～DK790+382段。應(yīng)采取超前水平鉆進行減排水,加密地質(zhì)素描,做好防排水預案,及時有效采取措施,以規(guī)避安全風險,特別是大的涌水。

③DK790+382～DK790+370段。應(yīng)做好中短距離的預報工作,以規(guī)避安全風險。

為有效規(guī)避安全生產(chǎn)風險,對DK790+520～DK790+450段及DK790+385～DK790+370段采用加長炮孔進行突水突泥情況超前探測,對DK790+455～DK790+382段采用超前水平鉆探進行集中減排水以保證正常施工。

上述即為綜合預報技術(shù)應(yīng)用于基巖裂隙水情況隧道超前地質(zhì)預報的一個實例。值得注意的是,在工作面里程逼近DK790+450時,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場涌水觀測情況考慮是否再次布置紅外探水探測工作,并依此修改和完善預報結(jié)論,將物探預報與地質(zhì)預報緊密結(jié)合,環(huán)環(huán)相扣。同樣,在工作面里程逼近DK790+382時也是如此。

表3為DK790+455～DK790+382段超前水平鉆探施做情況,鉆探設(shè)備采用無錫市雙帆（金帆）鉆鑿設(shè)備有限公司產(chǎn)品YG-5 0系工程鉆機。

表3 DK790+455～DK790+382段超前水平鉆探揭露地質(zhì)情況

從水平鉆探施做結(jié)果可以看出,綜合預報結(jié)論在分段上比較準確地預測了前方的涌水情況,并依據(jù)不同涌水情況提出了切實可行的抽排水措施建議,起到了保障現(xiàn)場安全施工的作用。

3 結(jié)論與建議

隧道涌水,一直以來都是鐵路建設(shè)的熱點話題,它可能誘發(fā)突水、突泥、坍塌等重大地質(zhì)災(zāi)害問題,威脅建設(shè)人員生命安全。在可能出現(xiàn)涌水事故的隧道施工過程中,較準確地預測工作面前方涌水情況并提供可靠的抽排水應(yīng)對措施與建議,是安全生產(chǎn)作業(yè)的有力前提。通過“長距離預報與中短距離預報相結(jié)合、物探預報與地質(zhì)預報相結(jié)合、微觀與宏觀相結(jié)合”綜合預報手段在中國某重載鐵路隧道超前地質(zhì)預報工作中的成功應(yīng)用,得出下列結(jié)論和建議：（1）綜合預報技術(shù)在隧道涌水的預測方面是可行的；（2）物探成果須與現(xiàn)場地質(zhì)情況緊密結(jié)合,二者相輔相成,互為佐證；（3）發(fā)揮物探作業(yè)優(yōu)勢,在宏觀總結(jié)隧址地質(zhì)、水文地質(zhì)條件與微觀現(xiàn)場地質(zhì)情況確認的基礎(chǔ)上開展超前地質(zhì)預報工作,會成為今后的發(fā)展方向。

[1] 王夢恕.對巖溶地區(qū)隧道施工水文地質(zhì)超前預報的意見[J].鐵道勘察,2004（1）：7-9

[2] 李術(shù)才,李樹忱,張慶松,等.巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預報研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26（2）：21 7-225

[3] 齊傳生,周振國,楊世武,等.鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)指南[M].北京：中國鐵道出版社,2008

[4] 肖書安,吳世林.復雜地質(zhì)條件下的隧道地質(zhì)超前探測技術(shù)[J].工程物理學報,2004,1（2）：159-165

[5] 李術(shù)才,劉斌,李樹忱.基于激發(fā)極化法的隧道含水地質(zhì)構(gòu)造超前探測研究[J].巖石力學與工程學報,201 1,3 0（7）：1 297-1309

App lication of Advanced Geological Fforecast Technology in Bed Rock Ccrevice Water Tunnel

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2012-04-09

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