綜合超前地質(zhì)預報技術(shù)在巴朗山隧道施工中的應(yīng)用

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(1．西華大學建筑與土木工程學院，四川 成都 610039；2．四川建筑科學研究院，四川 成都 610081)

限于目前的地質(zhì)勘探水平，若要在深埋特長隧道的勘察階段就準確無誤地查明其工程巖體的狀態(tài)、特征以及可能發(fā)生地質(zhì)災害的不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模和性質(zhì)是極其困難的。這些問題的解決，都必須依靠施工中展開的超前地質(zhì)預報工作。隧道施工超前地質(zhì)預報方法歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)由單一的地質(zhì)分析預報階段發(fā)展到地質(zhì)分析結(jié)合多種地球物理探測的綜合預報階段，并取得了許多成功的案例[1-2]，但其組合方式、適宜性和實用性還值得進一步研究。如在銅鑼山隧道，李天斌等[3]建立了綜合預報工作體系和組織機構(gòu)及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合預報模式，并在實際應(yīng)用中得到了80%的準確率，確保了隧道的施工安全；但模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要收集大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，當有現(xiàn)場情況超過所收集數(shù)據(jù)范圍時，預報效果則較差。在長樂山隧道，劉國等[4]在隧道采用了巖溶地質(zhì)定性預測+地震波法探測+地質(zhì)雷達探測的超前預報模式，同樣取得了良好的效果；但此組合模式只是針對巖溶一種地質(zhì)災害，對其他地質(zhì)災害的預報效果還值得研究。在大瑤山公路隧道，趙文軻等[5]采用了TGP 法+地質(zhì)雷達法( GPR法)+瞬變電磁法( TEM法) 的超前預報模式，也得到了較好的應(yīng)用效果；但此預報采用長短預報結(jié)合的模式，缺乏針對隧道局部需要的精確方法。目前在我國用于隧道綜合超前地質(zhì)預報的單一方法主要有隧道地震超前預報系統(tǒng)(TSP)、水平聲波剖面法(HSP)、陸地聲納法、探地雷達法、瞬變電磁法、超前鉆孔法和超前平導法等幾種[6]，國外較先進的方法(如美國的TRT隧道反射層析成像技術(shù)和德國的BEAM隧道電法超前探測技術(shù)等)鮮見在我國的隧道施工綜合超前地質(zhì)預報中應(yīng)用。

根據(jù)當前各種超前預報的應(yīng)用情況可知，每種方法各有局限性和缺點，于是有必要提出一種相對完善和易于推廣的綜合預報模式。

1 隧道工程概況及工程地質(zhì)、水文條件

1.1 工程概況

省道303線是阿壩州公路網(wǎng)主骨架之一，路線起于阿壩州汶川縣映秀鎮(zhèn)，經(jīng)臥龍、穿越巴朗山，過小金縣、丹巴縣，止于道孚縣八美鎮(zhèn)。目前，正在開展災后恢復重建工作，其中巴朗山隧道工程位于四川省阿壩藏族羌族自治州南部小金縣以東的小金、汶川、寶興三縣交界處，起止點與省道303線相連，起于S303線K97+730，設(shè)計高程3 849.79 m。止于S303線K125+760(隧道主洞樁號K107+134)，設(shè)計高程3 849.28 m。項目全長7.954 km，其中車行平導洞長7.955 km，最大埋深871 m。

1.2 地質(zhì)條件

隧址區(qū)的地層巖性主要有新生界第四系全新統(tǒng)崩坡積、坡洪積塊、碎石土，冰磧、冰水堆積層塊碎石夾泥砂，以及中生界三迭系變質(zhì)砂巖、板巖等。測區(qū)褶皺強烈，巖石受構(gòu)造影響嚴重，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀多變，巖體的破碎程度因巖性、抗風化能力及所處構(gòu)造部位的不同亦不相同：板巖及褶皺軸部，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎～較破碎，呈碎塊狀～碎石狀；砂巖，節(jié)理較發(fā)育，厚層砂巖呈塊狀結(jié)構(gòu)，中、薄層砂巖呈鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整～較破碎。

1.3 水文條件

場地地下水類型有主要以潛水或上層滯水形式賦存于第四系松散土體孔隙中的孔隙水和主要賦存于基巖風化裂隙、構(gòu)造裂隙中的基巖裂隙水2大類。隧道區(qū)域內(nèi)，地下水循環(huán)交替較強烈，主要接受降水和冰雪融水補給，對混凝土結(jié)構(gòu)無明顯腐蝕性。

通過對隧道工程的地質(zhì)條件及施工中可能存在的工程地質(zhì)問題進行分析，本隧道工程施工地質(zhì)超前預報的重點為隧道進出口端的危巖和強風化結(jié)構(gòu)松散砂巖夾板巖等問題。地質(zhì)預報的難點是斷層破碎帶和地下水超前預報。

2 現(xiàn)場地質(zhì)預報方案及設(shè)備

2.1 TSP法

TSP技術(shù)進行預報時采用TGP206(tunnel geology prediction )隧道地質(zhì)超前預報系統(tǒng)。工作中對測線布置段至隧道掌子面間的隧道圍巖進行地質(zhì)描述，以利于資料解釋。采集的TSP數(shù)據(jù)，通過TGPWin2.1軟件進行處理獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、相關(guān)偏移歸位剖面等成果。在成果分析中：以P波、SH波、SV波的原始記錄分析測段巖體的地質(zhì)條件；以相關(guān)偏移歸位剖面預報前方巖體地質(zhì)條件，預報分析推斷以P波剖面資料為主，結(jié)合橫波資料綜合解釋。解釋中遵循以下準則：1) 若S波反射較P波強，則表明巖層含水；2)左右洞壁對比，以激發(fā)和接收在同一側(cè)的資料為主；3) 縱橫波資料對比，以縱波資料為主。

2.2 地質(zhì)雷達探測法

采用美國SIR-20地質(zhì)雷達探測時，天線緊貼掌子面移動，發(fā)射天線向巖土體內(nèi)部連續(xù)發(fā)射脈沖電磁波，在巖土介質(zhì)中傳播的電磁波，遇到不良地質(zhì)體界面將產(chǎn)生反射波，接收天線接收反射波并通過主機記錄下反射波到達接收天線的時間及錄下回波的振幅、相位、頻率變化特征。每次接收的記錄組成了地質(zhì)雷達時間剖面圖像。橫坐標為天線在掌子面測線上的位置，縱坐標為雷達脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)各界面反射回到接收天線的雙程走時。這種記錄能準確地反映掌子面前方被測物體各個反射面的起伏變化。針對隧道環(huán)境差的特點，可重復測量，并可以用連續(xù)測量與點測相結(jié)合的方式。

2.3 超前水平鉆孔法

采用QZJ100B型潛孔鉆機，鉆孔孔徑φ65 mm。超前水平鉆孔法在掌子面上用水平鉆孔打數(shù)十米的超前取芯探孔，根據(jù)鉆孔資料來推斷隧道前方的地質(zhì)情況。鉆孔數(shù)量、角度及鉆孔深度可人為設(shè)計和控制。根據(jù)鉆取的巖芯狀況、鉆井速度和難易程度(鉆速、鉆頭壓力、轉(zhuǎn)動力矩)、循環(huán)水質(zhì)(顏色、濃度)、涌水情況及相關(guān)試驗，獲得精度很高的綜合柱狀圖，獲取隧道掌子面前方巖石的強度指標、可鉆性指標、地層巖性資料、巖體完整程度指標及地下水狀況等諸多方面的直接資料，可預報孔深范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況。

2.4 3種方法的優(yōu)缺點

TSP法能有效地反映大型斷層構(gòu)造，預報距離長，占用開挖時間少，基本不影響施工，但對地下水和巖溶反映不明顯，費時費用高；地質(zhì)雷達法能有效探測掌子面前方的巖溶，費用低，但費時費力，預測距離較短，影響因素較多，準確性差；超前鉆孔法對地下水和巖溶構(gòu)造等地質(zhì)情況判斷最直觀可靠，操作簡單易行，費用低，但預測距離短，占用掌子面，對施工影響大。

3 綜合超前地質(zhì)預報結(jié)果分析與對比

3.1 TSP探測

對巴朗山隧道導洞進口端PK99+315～PK99+435范圍段檢測時，在PK99+246里程處左右兩側(cè)洞壁風鉆孔中布置預報接收檢波器，接收孔距掌子面69 m，激發(fā)炮孔在左壁的里程為PK99+266～PK99+312。在隧道左壁的同一水平線上從里向外布置24個炮孔，炮孔間距2 m，炮孔高度1 m；與接收孔的最近距離為20 m。檢測段圍巖在PK99+246～PK99+315段，縱波速度(vP)為2 010 m/s；橫波速度(vS)為1 630 m/s；動泊松比為0.246。彈性模量為14 949 MPa，剪切模量為5 997 MPa。該檢測段的地質(zhì)構(gòu)造偏移成像和波速衰減處理成果見圖1、圖2。經(jīng)過分析得到的探測結(jié)果見表1。

圖1 地質(zhì)構(gòu)造偏移成像

圖2 波速衰減處理成果圖

3.2 地質(zhì)雷達探測

對巴朗山隧道導洞進口端PK99+353～PK99+383范圍段，采用美國SIR-20地質(zhì)雷達對掌子面前方圍巖進行隧道超前地質(zhì)預報，系統(tǒng)設(shè)置完畢后即可進行數(shù)據(jù)采集工作。本次測量掌子面前方的地質(zhì)情況，使用中心頻率為100 MHz的天線。

按照前述工作準備完畢后，將天線貼在掌子面，按預先布置好的測線多次掃描，取其中效果較好的圖像進行處理、分析。根據(jù)此次在巴朗山隧道預報情況，對該段SIR-20采集里程的雷達圖像處理分析后得到雷達波形圖(如圖3所示)。地質(zhì)雷達預報結(jié)果見表2。

表2 PK99+353～PK99+383之間的地質(zhì)雷達預報結(jié)果

圖3 PK99+353～PK99+383段雷達波形圖

3.3 超前水平鉆孔探測

原計劃在隧道平導掌子面布設(shè)3個水平鉆孔，但由于掌子面圍巖坍塌嚴重，影響到鉆機設(shè)備的安裝及操作，后改在隧道進口端平導掌子面PK99+343左右兩側(cè)邊墻各布設(shè)了2個鉆孔(如圖4所示)，鉆孔孔位及鉆孔夾角見表3，探測前方40 m水文地質(zhì)及工程地質(zhì)情況。

(a)左側(cè)邊墻孔位 (b)右側(cè)邊墻孔位

孔號樁號孔位距仰拱/m夾角與水平面/(°)與隧道中線鉆孔深度/m1PK99+343.6770.8545°57'32″152PK99+345.4321.1342°14'5″333PK99+344.4421.1547°20'21″134PK99+343.7180.6347°11'4″17

在鉆進過程中，鉆孔1、2、3、4前方均有裂隙水涌出，其中鉆孔2、3涌水量高，呈粗股狀，存在一定壓力，鉆孔1、4裂隙涌水呈細股狀。鉆孔1、2、3、4的記錄表明掌子面前方30 m范圍內(nèi)的圍巖為塊狀深灰色、黑色板巖，圍巖傾斜狀產(chǎn)出；圍巖節(jié)理發(fā)育，圍巖破碎；掌子面前方下部，有股狀水涌出，前方有大量裂隙水富集。

3.4 預測成果與地勘、開挖揭露對比

地質(zhì)勘察資料表明：巴朗山進口端平導PK99+315～PK99+320區(qū)段，圍巖為強～中風化砂巖板巖互層，軟硬相間，褶皺發(fā)育，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合差。開挖后圍巖易坍塌，地下水以淋雨狀、股狀為主，圍巖自穩(wěn)能力差，圍巖等級V級。PK99+320～PK99+435區(qū)段，圍巖為砂巖夾板巖，節(jié)理較發(fā)育，層間閉合較差，中～厚層狀夾薄層狀構(gòu)造，巖體較完整，但局部有揉皺和層間錯動現(xiàn)象，巖質(zhì)軟硬不均，洞頂有掉塊現(xiàn)象，兩側(cè)壁較穩(wěn)定。地下水以點狀滲出為主，局部有細股狀水流，圍巖等級Ⅲ級。

TSP預測結(jié)果表明： PK99+315～PK99+435區(qū)段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育與地質(zhì)勘察資料中相同，PK99+320～PK99+435區(qū)段巖體破碎或局部破碎，巖體破碎情況隨隧道開挖會有好轉(zhuǎn)趨勢，前方PK99+360附近含有大量裂隙水。結(jié)合工程地質(zhì)資料和預測分析重新核定了原詳勘階段劃分為Ⅲ級的圍巖，將該區(qū)段圍巖從Ⅲ級改為Ⅳ級。

地質(zhì)雷達探測結(jié)果表明：PK99+353～PK99+383區(qū)段巖層完整性較差，局部區(qū)域破碎，前段含水量大，中段中等富水。此結(jié)果驗證了TSP預測結(jié)果中巖體破碎和裂隙水的存在情況。結(jié)合工程地質(zhì)資料和預測分析重新核定了最新劃分為Ⅳ級的圍巖，將該區(qū)段圍巖從Ⅳ級改為Ⅴ級。

超前水平鉆孔結(jié)果表明：平導PK99+343～PK99+376的區(qū)段，圍巖較設(shè)計差，水的發(fā)育程度較設(shè)計高，根據(jù)掌子面的工程地質(zhì)情況和水文地質(zhì)情況，驗證了TSP和地質(zhì)雷達的大部分探測結(jié)果，同時排除了巖溶的存在。

開挖揭露情況：巴朗山進口平導掌子面PK99+343段附近掌子面圍巖為深灰色、黑色板巖，巖質(zhì)軟，塊狀結(jié)構(gòu)，傾斜產(chǎn)狀(傾角53°)。掌子面節(jié)理發(fā)育，圍巖破碎。掌子面下部距仰拱1 m處有多處股狀涌水，此處掌子面坍塌嚴重，將工作臺車部分掩埋。好在根據(jù)地質(zhì)勘察資料和TSP預報結(jié)果做好了此區(qū)段的預警，施工人員得以及時撤出，避免了人員傷亡事故的發(fā)生，但同時也警示施工時對已經(jīng)預報出的破碎圍巖段要加強初期支護、進行超前支護或注漿加固等來保證施工安全。掌子面PK99+352前方，圍巖為砂巖夾板巖，節(jié)理較發(fā)育，層間閉合較差，中～厚層狀夾薄層狀構(gòu)造，巖體較破碎，但局部有揉皺和層間錯動現(xiàn)象，巖質(zhì)軟硬不均，洞頂有掉塊現(xiàn)象，兩側(cè)壁較穩(wěn)定，地下水為股狀噴涌水流。此段驗證了超前水平鉆孔結(jié)果中圍巖和地下水狀況，并且此處加快了初期支護的施工速度，防止洞頂坍塌。

4 結(jié)論

1)單一超前地質(zhì)預報方法都存在一定的局限性，預報結(jié)果無法滿足隧道施工安全的要求，運用前期已探明的地質(zhì)水文資料進行定性預測，并結(jié)合不同物探方法的優(yōu)點，使施工超前地質(zhì)預報更有針對性，能提高超前地質(zhì)預報的準確率，降低其對施工的干擾。

2)通過以工程地質(zhì)綜合分析為核心，堅持粗查與精查相結(jié)合，物探與鉆探相結(jié)合的綜合預報原則，并結(jié)合前期地勘成果及地質(zhì)調(diào)查資料綜合判定，為綜合超前地質(zhì)預報提供了一種較為完善的預報模式。

3)將TSP+地質(zhì)雷達+超前鉆孔法3種超前地質(zhì)預報方法有機結(jié)合，對巴朗山隧道進口段進行超前地質(zhì)預報，取得了良好的效果，確保了隧道施工安全。

4)鑒于目前國內(nèi)綜合超前地質(zhì)預報的組合模式，筆者建議引進國外較先進的預報方法和新型儀器設(shè)備與目前國內(nèi)已有的方法和儀器組合，以提高我國綜合超前地質(zhì)預報結(jié)果的準確率。

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