鐵路隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)

楊文斌

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)與山區(qū)交通建設(shè)的發(fā)展，隧道工程越來越多，隧道施工的安全越來越受人關(guān)注。在隧道施工過程中，不同的地質(zhì)狀態(tài)下巖土的巖性等變化較大，對(duì)可能的地質(zhì)災(zāi)害開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，將對(duì)隧道的正常施工和順利貫通發(fā)揮舉足輕重的作用。本文介紹了幾種常見的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)，并以實(shí)際工程為例探討了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在鐵路隧道工程中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)超前預(yù)報(bào)；物探；鉆孔；雷達(dá)

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)其實(shí)質(zhì)是隧道施工地質(zhì)勘察，與其他工程勘察一樣，應(yīng)以地質(zhì)為基礎(chǔ)，以洞內(nèi)洞外的地質(zhì)調(diào)繪編錄、物探、鉆探等多種勘察手段相結(jié)合的勘察方法，綜合分析、預(yù)測(cè)隧道工作面前方可能遇到的不良地質(zhì)體及由此可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的性質(zhì)、分布位置、規(guī)模，最大程度的查明隧道地質(zhì)信息，為隧道施工開挖提供依據(jù)。

一、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)

隧道工程中，所處地質(zhì)條件千差萬別，不同的地質(zhì)條件所要求的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法也不盡相同。對(duì)于可溶性地層，超前預(yù)報(bào)的重點(diǎn)是巖溶的位置及其規(guī)模。巖溶充填的性質(zhì)以及其涌水突泥量也是超前預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。對(duì)于非可溶性巖層，超前預(yù)報(bào)的重點(diǎn)是圍巖非穩(wěn)定塊體坍塌的位置及規(guī)模。對(duì)于深埋硬質(zhì)完整巖體，超前預(yù)報(bào)的重點(diǎn)是可發(fā)生巖爆的位置及規(guī)模。對(duì)于煤系地層超前預(yù)報(bào)的重點(diǎn)是可發(fā)生瓦斯突出的位置。因此，隧道施工時(shí)，超前預(yù)報(bào)不一定只進(jìn)行某一方面的預(yù)測(cè)，往往兼有其他內(nèi)容。根據(jù)超前預(yù)報(bào)時(shí)，采用的技術(shù)手段，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)通常分為地質(zhì)分析法、超前鉆探法、地球物理勘探法和超前導(dǎo)坑法。

（一）地質(zhì)分析方法

地質(zhì)分析方法是地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的最基本方法，不管是物探方法還是水平鉆孔方法，都是地質(zhì)分析方法向前方延伸的手段，對(duì)物探和鉆孔超前探測(cè)資料的任何解釋和應(yīng)用，都離不開施工過程中隨時(shí)隨地觀測(cè)和采集到的地質(zhì)資料的判斷。缺少了這個(gè)基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，采用任何超前探測(cè)方法都很難取得好的效果。

（二）物探法

采用物探方法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)是；快速，超前探測(cè)距離大，與施工干擾相對(duì)小，可以多種方法組合應(yīng)用，但由于物探[常規(guī)電法、震探、順變電磁、大地音頻電磁（EH-4、V6、GDP32）等等]是利用物理性質(zhì)進(jìn)行地質(zhì)判斷的間接方法，一是不同的物探方法受限于不同的場(chǎng)地和地質(zhì)條件，各種方法都有一定的局限性；二是對(duì)物探資料的地質(zhì)解釋，需要與地質(zhì)分析資料深入結(jié)合，有一定技術(shù)難度。

（三）深孔鉆探方法

深孔鉆探方法是最直觀的超前預(yù)報(bào)方法，缺點(diǎn)是成本高，對(duì)施工影響大，而且鉆孔的方向控制和鉆探工藝有一定的技術(shù)難度。

（四）超前導(dǎo)坑法

超前導(dǎo)坑法一般分為兩種，超前平行導(dǎo)坑法和超前正洞導(dǎo)坑法。超前平行導(dǎo)坑法是將小斷面導(dǎo)坑與正洞保持一定距離，但是平行布置；超前正洞導(dǎo)坑法則是把導(dǎo)坑直接布置在正洞中。但是不論如何布置導(dǎo)坑，其作用均是依靠開挖的導(dǎo)坑把遇到的地質(zhì)構(gòu)造以及地下水情況進(jìn)行素描，然后依靠地質(zhì)掃描圖對(duì)未開挖地質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。超前導(dǎo)坑法能夠直觀高精度的進(jìn)行較長(zhǎng)距離的預(yù)測(cè)，而且由于導(dǎo)坑的存在，使得施工進(jìn)度得以加快，還可以利用導(dǎo)坑進(jìn)行排水減壓，改善通風(fēng)。但是超前導(dǎo)坑法預(yù)報(bào)成本較高，有時(shí)甚至需要將整個(gè)隧道洞口實(shí)施平導(dǎo)開挖。

二、鐵路隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用

（一）工程概述

某隧道施工單位承包A鐵路線Ⅱ標(biāo)一分部，自H隧道PDK354+160至F隧道PDK355+126處，全長(zhǎng)2966米。主要工程量包括H隧道出口往進(jìn)口方向1387米，其中包括Ⅲ級(jí)圍巖725米，Ⅳ級(jí)圍巖475米，Ⅴ級(jí)圍巖182米，明洞5米；F隧道進(jìn)口往出口方向1471米，其中包括Ⅲ級(jí)圍巖625米，Ⅳ級(jí)圍巖250米，Ⅴ級(jí)圍巖596米。地層巖性以灰?guī)r為主。隧道存在巖溶及大規(guī)模高壓涌（突）水、淺埋段存在較大規(guī)模的河水滲漏、硬質(zhì)巖巖爆和軟質(zhì)巖大變形等重大工程地質(zhì)問題，此外還存在局部煤層瓦斯等問題，地質(zhì)構(gòu)造異常復(fù)雜。

（二）預(yù)報(bào)技術(shù)

根據(jù)本隧道圍巖地質(zhì)情況采用以長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)為主短距離為輔，長(zhǎng)短互補(bǔ)的預(yù)報(bào)原則。計(jì)劃采用：TSP203、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)儀、超前鉆孔、地質(zhì)素描。將以上方法有機(jī)結(jié)合、綜合應(yīng)用，從不同方面發(fā)現(xiàn)異常、揭示異常，組成地質(zhì)超前預(yù)報(bào)完整的技術(shù)體系，將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)合理納入工序進(jìn)行組織管理。

1、地震儀探測(cè)

利用R24工程地震儀，采用多道共炮式進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試記錄經(jīng)處理后認(rèn)為掌子面前方存在三組負(fù)反射波組，經(jīng)反演得出異常帶位置在PDK354+975、PDK355+016和PDK354+963處，推斷為二迭系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r地層中存在的裂隙、破碎或巖溶強(qiáng)烈發(fā)育帶。

2、防爆紅外探測(cè)儀探測(cè)

利用HY-303防爆紅外探測(cè)儀探測(cè)，掌子面前方30米范圍內(nèi)有水；利用水平鉆機(jī)在掌子面兩拱角處各鉆一孔，隧洞軸線部位布設(shè)一深孔，依據(jù)不同的角度在掌子面上進(jìn)行探孔，左側(cè)淺孔深3m時(shí)揭露一層巖溶水，涌水量約5m3/h，淺孔孔深15m時(shí)又遇一層巖溶水，涌水量約30m3/h，最大涌水量約80m3/h，估測(cè)該巖溶水為一小型充填性巖溶管道水；利用TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用多炮共道式測(cè)試，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理，認(rèn)為在PDK355+005、PDK354+993和PDK354+984三處圍巖完整性較差，地下水發(fā)育，存在巖溶管道等，后經(jīng)施工開挖驗(yàn)證，預(yù)報(bào)成果與開挖結(jié)果基本對(duì)應(yīng)，取得了較好的地質(zhì)預(yù)報(bào)效果。

3、地質(zhì)雷達(dá)

選擇CW18隧道PDK355+645掌子面上的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)分析。由探測(cè)結(jié)果可知，其波形主要特征：波形雜亂，至深部反射波都存在一定強(qiáng)度同相軸錯(cuò)亂，波幅衰減很快，反射界面錯(cuò)亂。隧道PDK355+645為深埋段，地表坡度較陡，上部千枚巖及碳質(zhì)千枚巖變質(zhì)十分發(fā)育，風(fēng)化程度較大。推斷在該掌子面前面地質(zhì)情況復(fù)雜，巖體較破碎，層理發(fā)育且含水量少。預(yù)計(jì)在開挖過程中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)拱頂垮塌造成圍巖嚴(yán)重超挖，為了能有效控制這種不利情況，要求施工方在開挖前打設(shè)超前注漿錨桿，短臺(tái)階進(jìn)尺，弱爆破或機(jī)器開挖，開挖后采用雙層支護(hù)。經(jīng)掘進(jìn)證實(shí)，該巖體強(qiáng)度極差，呈層狀。

掌子面前方3～15m以內(nèi)雷達(dá)發(fā)射波強(qiáng)烈，與15m以外泥灰的微弱發(fā)射波形形成鮮明的對(duì)比，在3m～15m 圍巖回波波形不穩(wěn)定，回波相似性較差，同相軸不連續(xù)，中部偏左缺失，推測(cè)為節(jié)理裂隙發(fā)育，巖性不穩(wěn)定。掌子面12m中部偏左圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。經(jīng)開挖驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)情況與預(yù)報(bào)結(jié)果基本相符。根據(jù)1線布置雷達(dá)波圖像顯示掌子面前方兩側(cè)雷達(dá)波強(qiáng)反射同相軸，局部存在雜亂波形，層面較發(fā)育無水，巖體物性差異增大，圍巖變差大；圍巖呈碎裂～松散結(jié)構(gòu)，圍巖破碎，及以后圍巖為受構(gòu)造影響很嚴(yán)重的碎塊，軟弱破碎。

結(jié)束語

超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是規(guī)避復(fù)雜隧道地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的最有效手段，在施工當(dāng)中應(yīng)當(dāng)將超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作作為一道工序納入施工設(shè)計(jì)中。隧道施工過程中，復(fù)雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)超前探測(cè)也不再單一的使用一種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，而是綜合采取幾種方法同時(shí)進(jìn)行，對(duì)探測(cè)的結(jié)果進(jìn)行綜合判斷分析。

本文綜合采用常規(guī)地質(zhì)法、綜合超前物探法及超前探孔作為主要的超前地質(zhì)預(yù)測(cè)手段，取得了較好的效果。避免了施工過程中坍塌、涌泥、突水、地面沉降、有害氣體（瓦斯、深層天然氣等）突出等地質(zhì)災(zāi)害或不良的環(huán)境影響的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]孫天學(xué)，陳遵義，王秋旺，文孝貴.TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在某礦山的應(yīng)用研究[J].礦業(yè)工程，2013年2期.

[2]周銚坤.地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道安全施工中的應(yīng)用[J].科技視界，2013年26期.