隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)重疊段結(jié)論不一致的處理

陳利杰

（贛龍復(fù)線鐵路有限責(zé)任公司 龍巖 364000）

由于地下工程施工過(guò)程的不確定性，為確保隧道施工安全，在鐵路行業(yè)，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)已被要求納入工序管理，其目的是：①進(jìn)一步查清隧道開(kāi)挖工作面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，指導(dǎo)工程順利進(jìn)行；②降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率和危害程度；③為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)［1］。

常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法、超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法，其中物探法包括彈性波反射法（地震波反射法、水平聲波剖面法、負(fù)視速度法和陸地聲納法等）、電磁波反射法（地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)）、紅外探測(cè)、高分辨直流電法等。目前，在實(shí)際工作中，地震波發(fā)射法的應(yīng)用相對(duì)普遍和成熟。

地震波反射法連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)前后2 次應(yīng)重疊10m 以上，在軟弱破碎地層或巖溶發(fā)育區(qū)，一般每次預(yù)報(bào)距離應(yīng)為100m 左右，不宜超過(guò)150m；在巖體完整的硬質(zhì)巖地層每次可預(yù)報(bào)120～180 m，但不宜超過(guò)200 m。在地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施過(guò)程中常常出現(xiàn)重疊段波速不一致的情況，本文以某雙線鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為例，在分析這一現(xiàn)象形成原因的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)性處理措施，以期為隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供借鑒。

1 工程概況

贛龍鐵路擴(kuò)能改造工程汀州隧道位于福建省長(zhǎng)汀縣境內(nèi)，起始里程DK146＋720，終點(diǎn)里程DK154＋458，全長(zhǎng)7738 m，洞身最大埋深約600m。

隧址區(qū)位于泉上－長(zhǎng)汀復(fù)式向斜，基底出露震旦紀(jì)和早古生代地層，震旦系為一套板巖、變質(zhì)砂巖和千枚巖夾硅質(zhì)巖和磷塊巖、黃鐵礦薄層。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，據(jù)區(qū)域資料、沿線實(shí)地勘察及物探測(cè)試結(jié)果綜合分析，在該地區(qū)發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造7條及4條節(jié)理發(fā)育密集帶，全隧地下水發(fā)育。根據(jù)勘探資料，隧道可能存在以下幾種不良地質(zhì)：高地溫、硬質(zhì)巖爆、軟巖大變形等。主要地層巖性為變質(zhì)砂巖、頁(yè)巖、板巖，按照隧道設(shè)計(jì)圖，不同圍巖級(jí)別的長(zhǎng)度及所占百分比分別為：II級(jí)圍巖長(zhǎng)1 545m（占20%），III級(jí)圍巖長(zhǎng)4 562m（占59%），IV 級(jí)圍巖長(zhǎng)788m（占10.1%），V 級(jí)圍巖長(zhǎng)843m（占10.9%）。

隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用工程地質(zhì)分析與物探探測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行。物探探測(cè)主要采用電磁波反射法和地震波反射法。電磁波反射法采用瑞典MALA 地球科學(xué)公司生產(chǎn)的RAMAC X3M 型探地雷達(dá)。探測(cè)時(shí)，使用發(fā)射頻率為100 MHz的屏蔽天線。地震波反射法采用北京水電物探研究所生產(chǎn)的TGP206A 型隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)儀［2－3］。

2 主要問(wèn)題

在汀州隧道地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)前后2次預(yù)報(bào)重疊段縱波波速不一致，圍巖級(jí)別判釋結(jié)論不一致。例如：汀州隧道進(jìn)口DK146＋971～DK147＋131段和DK147＋095～DK147＋215段重疊段TGP 預(yù)報(bào)結(jié)論顯示有所差異，見(jiàn)表1和圖1、圖2。

表1 前后2次重疊段結(jié)論對(duì)比

圖1 綜合偏移處理成果圖（DK146＋971～DK147＋131段）

圖2 綜合偏移處理成果圖（DK147＋095～DK147＋215段）

從表1 和圖1、圖2 可看出，DK146＋971～DK147＋131 段和DK147＋095～DK147＋215段重疊段為DK147＋095～DK147＋131段，前后2次探測(cè)結(jié)果顯示：判斷的圍巖縱波波速和圍巖級(jí)別均不一致，地下水的發(fā)育程度也不一致。

3 原因分析

地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是根據(jù)處理后的縱橫波波速分布圖、縱橫波繞射偏移圖和界面反射情況進(jìn)行綜合分析，推斷開(kāi)挖面前方圍巖的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件；結(jié)合掌子面及激發(fā)炮孔段的圍巖級(jí)別及物理力學(xué)參數(shù)、波速分布、地下水及軟弱夾層情況，參照鐵路隧道圍巖級(jí)別的分類(lèi)方法對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行評(píng)估和推斷。汀州隧道采用地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)前后2次預(yù)報(bào)重疊段縱波波速不一致，圍巖級(jí)別判釋結(jié)論不一致的原因主要有：

（1）縱波波速方面。第一次（DK146＋971～DK147＋131段）預(yù)報(bào)的總長(zhǎng)度（160 m），重疊段距預(yù)報(bào)起始位置的距離（124m）。因?yàn)榈卣鸩芰咳酢⒔?jīng)長(zhǎng)距離傳播后能量更低、界面反射信號(hào)弱是導(dǎo)致較遠(yuǎn)區(qū)段預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性降低的主要原因［4］。

此外，由于汀州隧道圍巖較破碎，地震波反射法超前探測(cè)過(guò)程中很多炮孔水封效果不好（在往炮孔注水過(guò)程中，水直接沿節(jié)理、裂隙流走）。這些水封效果不好的炮孔由于爆破激發(fā)地震波的大部分能量直接由孔口溢出，所以沿圍巖傳播的能量較弱，這導(dǎo)致較遠(yuǎn)區(qū)段預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性明顯降低。此外，由于汀州隧道大量地段采用臺(tái)階法施工，地震波反射法所需的炮孔在很多情況下不能全部布置在一條直線上，這也使較遠(yuǎn)區(qū)段預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性明顯降低。從而出現(xiàn)前后2次預(yù)報(bào)重疊段縱波波速不一致。

（2）圍巖級(jí)別方面。圍巖級(jí)別受諸多因素（如巖塊的強(qiáng)度、完整性、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況、地下水、構(gòu)造應(yīng)力等）的影響，縱波波速不能全面地反映這些因素的變化。薄的軟弱夾層并不能使波速明顯降低，但對(duì)圍巖的穩(wěn)定性卻有較大影響。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)判釋結(jié)論主要根據(jù)探測(cè)成果中的縱、橫波波速分布，按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB1003－2005）中的“圍巖基本分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行圍巖基本分級(jí)。由于基本分級(jí)為未考慮地下水和其他因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響下的分級(jí)，所以還需結(jié)合其他因素對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行修正。考慮探測(cè)區(qū)域不同區(qū)段地下水的發(fā)育情況對(duì)圍巖基本分級(jí)進(jìn)行地下水影響修正。按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB1003－2005）及《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范》（TB10108－2002）中“地下水影響對(duì)圍巖級(jí)別修正”的相關(guān)規(guī)定，地下水發(fā)育地段，圍巖級(jí)別降一級(jí)。

在汀州隧道地震波法的多次探測(cè)成果的綜合偏移圖、縱橫波繞射圖中均出現(xiàn)正、負(fù)反射交替出現(xiàn)，但縱波波速并未出現(xiàn)鋸齒形高低起伏的信息。這說(shuō)明探測(cè)區(qū)段軟弱夾層發(fā)育但厚度不大，與開(kāi)挖揭示的情況一致。由于軟弱夾層不厚，加之軟弱夾層是區(qū)域性動(dòng)力接觸變質(zhì)作用形成的，在未開(kāi)挖條件下與周邊巖層呈擠壓密貼狀態(tài)，所以不會(huì)使波速明顯降低。上述原因?qū)е峦≈菟淼赖卣鸩ㄌ綔y(cè)所得圍巖的縱波波速比其他地方同級(jí)別圍巖的略高?？紤]到該隧道的軟弱夾層多為炭質(zhì)頁(yè)巖，受水浸潤(rùn)易軟化、崩解，受其影響圍巖易滑落、掉塊甚至塌方，對(duì)圍巖穩(wěn)定的不利影響很大。綜合考慮地下水、軟弱夾層等影響因素，對(duì)根據(jù)波速判定的圍巖基本等級(jí)進(jìn)行修改后，得出最后的圍巖等級(jí)。

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB1003－2005）中圍巖基本分級(jí)（未考慮地下水及其他修正）為Ⅰ級(jí)的縱波波速為大于4 500m／s?？紤]地下水影響修正后為II級(jí)，考慮軟弱夾層對(duì)波速及圍巖穩(wěn)定性的影響后，圍巖級(jí)別還應(yīng)降低。所以在汀州隧道預(yù)報(bào)中，將波速在5600 m／s以上、軟弱夾層發(fā)育，地下水發(fā)育或較發(fā)育地段的圍巖評(píng)估為III級(jí)?！惰F路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB1003－2005）中圍巖基本分級(jí)（未考慮地下水及其他修正）為II級(jí)的縱波波速為3500～4 500m／s?？紤]地下水修正后為III級(jí)，考慮軟弱夾層對(duì)波速及圍巖穩(wěn)定性的影響后，圍巖級(jí)別還應(yīng)降低。所以在汀州隧道預(yù)報(bào)中，將波速在4500 m／s以?xún)?nèi)、軟弱夾層發(fā)育、地下水發(fā)育或較發(fā)育的地段圍巖評(píng)估為IV 級(jí)。

4 處理措施

分析表明，重疊段預(yù)報(bào)成果不一致的主要原因是預(yù)報(bào)的距離長(zhǎng)、圍巖破碎造成地震波能量減弱，影響了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，以及地下水的發(fā)育情況、軟弱夾層對(duì)圍巖級(jí)別的修正。為解決地震波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)前后2次預(yù)報(bào)重疊段結(jié)論不一致的問(wèn)題，在上述原因分析的基礎(chǔ)上，提出以下措施：

（1）縮短地震波反射法的預(yù)報(bào)距離，一次以100m 長(zhǎng)為宜。

（2）提高破碎圍巖中地震波數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量，具體包括：確保炮孔深度，圍巖與初期支護(hù)不密貼時(shí)適當(dāng)增加炮孔深度，鉆孔后插入PVC管防止坍孔；炮孔向下傾斜，確保水封效果；采取措施，使炮孔、接收器孔在一條直線上等。

（3）采取長(zhǎng)、中、短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合和不同預(yù)報(bào)手段相組合的綜合預(yù)報(bào)方法，并將各預(yù)報(bào)手段獲得的資料進(jìn)行綜合分析與判斷。

（4）對(duì)不同預(yù)報(bào)手段“揚(yáng)長(zhǎng)避短”，對(duì)需要預(yù)報(bào)的隧道進(jìn)行地質(zhì)復(fù)雜程度分級(jí)，根據(jù)可能存在的不良地質(zhì)與特殊巖土選擇適合各隧道不同段落地質(zhì)條件的綜合預(yù)報(bào)方法。

例如：斷層預(yù)報(bào)以地質(zhì)調(diào)查法為主，必要時(shí)采用紅外探測(cè)、高分辨直流電法探測(cè)斷層帶地下水的發(fā)育情況及超前鉆探法驗(yàn)證；巖溶預(yù)報(bào)以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，以超前鉆探法為主，結(jié)合多種物探手段進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并采用宏觀預(yù)報(bào)指導(dǎo)微觀預(yù)報(bào)、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)指導(dǎo)中短距離預(yù)報(bào)的方法；煤層瓦斯預(yù)報(bào)以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，以超前鉆探法為主，結(jié)合多種物探手段進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；涌水、突泥預(yù)報(bào)以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，以超前鉆探法為主，結(jié)合多種物探手段進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)［5］。

在采用上述方法后，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度明顯提高。

5 結(jié)語(yǔ)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為隧道工程施工過(guò)程中規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)的一項(xiàng)重要保證手段，已被廣泛運(yùn)用。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)精度是隧道施工安全的基本前提，而隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)重疊段預(yù)報(bào)成果不一致一直是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)際實(shí)施時(shí)的難點(diǎn)。從汀州隧道實(shí)際預(yù)報(bào)過(guò)程來(lái)看，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)重疊段預(yù)報(bào)成果不一致的主要原因有：預(yù)報(bào)手段局限性的影響、預(yù)報(bào)操作技術(shù)的影響、客觀地質(zhì)條件的影響。在施作隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)可以通過(guò)縮短預(yù)報(bào)長(zhǎng)度、改進(jìn)預(yù)報(bào)操作技術(shù)、優(yōu)化預(yù)報(bào)手段來(lái)綜合解決超前地質(zhì)預(yù)報(bào)重疊段結(jié)論不一致的技術(shù)難點(diǎn)，提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)精度，為隧道安全施工提出準(zhǔn)確的指導(dǎo)意見(jiàn)。

［1］齊傳生，周振國(guó)，楊世武，等.鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

［2］趙永貴，劉 浩，孫 宇.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2003（9）：460－464.

［3］李天斌，孟陸波，朱 勁.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析方法［J］.巖石力學(xué)與工程 學(xué)報(bào)，2009（12）：2429－2436.

［4］汪成兵，丁文其，由廣明.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)及應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007（1）：120－122.

［5］李 勇，孫喜峰，李 廷.隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法［J］.地質(zhì)與資源，2004（6）：79－83.