綜合勘察與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在蘭渝鐵路長壽山隧道中的應(yīng)用研究

李慎崗

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730000)

1 概況

長壽山隧道位于蘭州市安寧區(qū)黃河北岸的低中山區(qū)，是蘭渝鐵路蘭州樞紐的主要控制工程，為雙線特長隧道。進(jìn)出口為喇叭口形式，主要左線起訖里程HDK41+900～HDK54+409，雙線長12.112 km，左線單線長412 m，右線單線長509.5 m，另有腰子溝、蘇地溝斜井等共8個(gè)斜井，總長3.696 4 km。其前半段大多頂部覆蓋黃土，底部基巖出露，后半段大部基巖裸露，溝谷深切，山體起伏大，相對最大高差約180 m，隧道最大埋深約340 m，總體地形條件復(fù)雜。部分溝谷內(nèi)有便道通行，交通較差［1］。

2 工程地質(zhì)概況

長壽山隧道位于阿森特－加里東期褶皺系構(gòu)造單元中，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。其經(jīng)過范圍內(nèi)地層巖性種類繁多，主要有第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，沖積黃土、砂類土、碎石類土，下伏第三系中新統(tǒng)砂巖、泥巖、礫巖、砂巖夾礫巖，加里東期混合巖、花崗巖，前寒武系片巖。其中第三系中新統(tǒng)砂巖，成巖作用差，巖質(zhì)軟，膠結(jié)差，易剝落、坍塌呈散砂夾雜碎塊狀，施工及處理難度大。

隧道除進(jìn)口端位于砂質(zhì)黃土層中外，大多位于加里東期混合巖、花崗巖、片巖及第三系砂巖夾礫巖層中。通過十里店復(fù)式背斜、3處不整合接觸帶及許多小的背斜、向斜及小斷層、節(jié)理密集帶等，小型褶曲極發(fā)育，褶皺巖性多變質(zhì)較深，導(dǎo)致段內(nèi)隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)軟弱。施工中存在圍巖失穩(wěn)坍塌、掉塊、涌水現(xiàn)象。局部段落有掏砂洞、膨脹巖、放射性超標(biāo)等地質(zhì)災(zāi)害。

3 綜合勘察技術(shù)的應(yīng)用

針對長壽山隧道位于山區(qū)，長大、深埋且地形、地質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)，確定了采用多種勘察手段密切配合［2］，相互補(bǔ)充、印證、點(diǎn)面結(jié)合、以間接推斷與直接驗(yàn)證相結(jié)合的綜合勘察技術(shù)。

3.1 遙感技術(shù)

長壽山隧道區(qū)域地貌上屬低中山區(qū)，峰巒疊嶂，溝谷發(fā)育，地形起伏，選線及調(diào)查面積達(dá)20 km2，線路范圍內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育，分布有滑坡、崩塌、掏砂洞、防空洞等不良地質(zhì)，因此，在如此寬廣的范圍內(nèi)快速選擇一條地質(zhì)條件相對較好、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的隧道方案并查明其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件［3］，難度很大。

遙感技術(shù)在選線及前期勘察工作中具有關(guān)鍵作用。利用遙感影像的宏觀性、穿透性、全面性，可以迅速查清區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征，盡量避開地質(zhì)斷裂帶、滑坡以及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地帶等。在前期勘察中，針對隧道約20 km2廣大區(qū)域內(nèi)不同坡系、不同長度的多個(gè)方案，首先選用1∶100 000的衛(wèi)片以做好宏觀控制，然后選用1∶10 000的黑白航片做微觀調(diào)繪，它改變了以往點(diǎn)→線→面的常規(guī)地面調(diào)查方法，變成了面→線→點(diǎn)［4］，以其判釋成果指導(dǎo)地面地質(zhì)調(diào)繪，再和以后的地面調(diào)查結(jié)果互相驗(yàn)證，從而達(dá)到不遺漏大的地面不良地質(zhì)問題及有價(jià)值的線路方案，大大提高了勘察效率。

3.2 大面積地質(zhì)調(diào)繪

地質(zhì)調(diào)繪是地質(zhì)工作中最直接、重要而有效的工作方法，也是后續(xù)勘察工作的基礎(chǔ)。在對區(qū)域地質(zhì)資料和遙感判釋資料詳細(xì)分析研究基礎(chǔ)上。地質(zhì)人員對隧道進(jìn)行了大面積地質(zhì)調(diào)繪工作，重點(diǎn)調(diào)繪內(nèi)容有:地層巖性的分布、特征、時(shí)代劃分及其組合關(guān)系;褶皺構(gòu)造的展布、規(guī)模、性質(zhì)及對工程的影響;巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育特征;濕陷性黃土、掏砂洞、防空洞、滑坡、崩塌等不良地質(zhì)與特殊巖土分布范圍及規(guī)模等;隧址區(qū)內(nèi)較大溝谷流水、積水及泉水出露情況。調(diào)查以線路兩側(cè)各500 m為重點(diǎn)區(qū)，以500～1 000 m為補(bǔ)充調(diào)查區(qū)，通過不同階段對地質(zhì)現(xiàn)象的調(diào)查與再認(rèn)識，結(jié)合大量資料間互相補(bǔ)充及印證，逐步加深了對隧道區(qū)域內(nèi)等地質(zhì)條件的認(rèn)識，并更明確了后續(xù)的物探及鉆探工作，使得其目的性及針對性更強(qiáng)，勘探布置更合理有效。

3.3 物探技術(shù)

本次勘察中將隧道中構(gòu)造發(fā)育、巖層接觸、硬質(zhì)巖節(jié)理密集帶集中段落采用可控源音頻大地電磁法(V8)與高密度電法相結(jié)合的綜合物探技術(shù)進(jìn)行了貫通。因HDK43+475～HDK46+950段埋深較大，電磁干擾相對較小，選用音頻大地電磁法(AMT)，使用V8系統(tǒng)。HDK46+950～HDK51+965段埋深小于150 m，電磁干擾較大，選用高密度電法，使用WDA－1型分布式高密度電法儀。除個(gè)別因地形太陡，無法攀爬偏離隧道中線外，測線基本沿隧道中線布設(shè)。

通過資料處理及分析解譯，基本確定了隧道通過地段不同巖性分帶，特別提出在 HDK48+450～HDK48+630和HDK49+130～HDK49+300兩段為混合巖破碎含水帶，HDK49+000～HDK50+100段，隧道將在第三系地層與混合巖接觸面上下穿行，對施工不利，需注意塌方;并建議在 HDK44+650和HDK50+300附近鉆孔，以驗(yàn)證這兩段低阻異常的原因及工程性質(zhì)。

實(shí)踐證明，使用物探方法來查明隧道地質(zhì)構(gòu)造及巖層接觸、硬質(zhì)巖節(jié)理密集、破碎、含水帶等，并與地面調(diào)繪資料互相驗(yàn)證，查找差異及異常帶(點(diǎn))［5］，可加深對地質(zhì)條件的認(rèn)識，并為后續(xù)更經(jīng)濟(jì)、合理布設(shè)勘探點(diǎn)提供有效依據(jù)。參見圖1。

圖1 HDK47+025～HDK52+070段高密度電法物探斷面成果簡圖

3.4 工程地質(zhì)鉆探

鉆探是地質(zhì)勘察中最常用、直接、可靠而有效的手段［6］，可以直接獲取巖芯，從而直觀反映地層巖性、厚度、完整性、破碎程度、含水層及穩(wěn)定水位等地質(zhì)、水文參數(shù)。通過各種原位測試及鉆取巖土體試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，獲得水及巖土體的侵蝕性及物理力學(xué)指標(biāo)等，從而為圍巖劃分、隧道設(shè)計(jì)等提供直接依據(jù)。同時(shí)還可以作為綜合測井的平臺。

在遙感判釋、地質(zhì)調(diào)繪及物探成果的基礎(chǔ)上，長壽山隧道選擇在隧道進(jìn)出口處、褶皺構(gòu)造密集帶、富水段、重要巖性控制點(diǎn)處、物探低阻異常帶、巖性變化不明處、巖體較破碎帶、溝谷明洞段、淺埋代表段，地表水流經(jīng)過段等地帶，參照隧道埋深情況，共布置淺孔1 876.7 m/45孔，深孔1 245 m/8孔。并堅(jiān)持了一孔多用，尤其在深孔中，均進(jìn)行水文地質(zhì)測試和綜合測井，通過有限的深孔，最大限度地獲取更多的地質(zhì)信息，發(fā)揮了每個(gè)鉆孔的作用，提高了深孔的利用率。

3.5 綜合試驗(yàn)、測試

依靠鉆探平臺及從中獲取的巖土體樣品、水樣，進(jìn)行了孔內(nèi)測試和孔外試驗(yàn)?？變?nèi)測試包括標(biāo)準(zhǔn)貫入、動力觸探等常規(guī)原位測試，還包括在每個(gè)深孔中的水文地質(zhì)測試(抽提水、壓水)，其他7種參數(shù)(自然γ、井溫、自然電位、電阻率、井徑、聲波縱、橫波速度和擴(kuò)散法水文測井)的綜合測井［7］，最大限度地獲取更多的地質(zhì)信息，尤其在CSZ－3號鉆孔在孔深64.2～75.7 m、75.7～100.3 m、100.3～103.4 m 自然伽瑪最大值分別為 80γ、99γ、200γ，BDSZ －6 號鉆孔在孔深 36.3～58 m、58～93 m、93～106 m自然伽瑪最大值分別為74γ、116γ、214γ，基巖自然伽瑪值超過國家標(biāo)準(zhǔn) 63γ，推定HDK46+500～HDK49+600段混合巖含放射性物質(zhì)較多，建議施工開挖該段落時(shí)，做好洞內(nèi)放射性的實(shí)時(shí)監(jiān)測工作并采取防護(hù)措施，對放射性超標(biāo)段落內(nèi)的隧道廢渣應(yīng)進(jìn)行專門的安全處理，保護(hù)環(huán)境不受污染。依靠孔外對水樣、巖土體樣品的室內(nèi)試驗(yàn)，獲得水、巖土體樣品的侵蝕性、物理力學(xué)性質(zhì)等，為設(shè)計(jì)及施工提供詳細(xì)而可靠的地質(zhì)資料。見圖2。

3.6 綜合分析、運(yùn)用

綜上所述，在充分熟悉區(qū)域地質(zhì)資料前提下，用遙感指導(dǎo)大面積調(diào)繪，再在此基礎(chǔ)上開展物探工作，最后進(jìn)行鉆探及綜合測試、試驗(yàn)工作，每一個(gè)勘察成果為下一勘察手段做了準(zhǔn)備，而下一勘察成果又是對前一甚至之前所有勘察成果的驗(yàn)證、補(bǔ)充與完善［8］。通過這種多勘察手段的綜合運(yùn)用，取長補(bǔ)短，把取得的各種勘察成果進(jìn)行對比、分析并綜合運(yùn)用，最終取得詳實(shí)、準(zhǔn)確的勘察資料，為隧道設(shè)計(jì)及施工提供了地質(zhì)依據(jù)。

圖2 BDSZ－6鉆孔綜合測井成果示意

4 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用

類似長壽山隧道這種長大、深埋、地質(zhì)復(fù)雜隧道施工，僅靠勘察階段所得有限地質(zhì)資料是不足的。為了進(jìn)一步及時(shí)查清隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，指導(dǎo)施工安全、順利進(jìn)行，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率和危害程度，并為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)［9］，在施工階段，應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作方法

本工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作方法包括:地質(zhì)調(diào)查法、超前水平鉆探法、物探法(彈性波反射法、電磁波反射法、紅外探測3種)［10］。并讓它們各盡其能，各展所長，各有側(cè)重、相互配合、驗(yàn)證補(bǔ)充，距離上長短結(jié)合。

(1)地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法是根據(jù)隧道已有的勘察資料、地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查資料和隧道內(nèi)地質(zhì)素描，通過地層層序?qū)Ρ?，地層分界線及構(gòu)造線地下和地表相關(guān)性分析，斷層要素與隧道幾何參數(shù)的相關(guān)性分析，臨近隧道內(nèi)不良地質(zhì)體的前兆分析等，利用常規(guī)地質(zhì)理論、地質(zhì)作圖和趨勢分析等，推測開挖工作面前方可能揭示地質(zhì)情況的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，它適用于各種地質(zhì)條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

(2)超前鉆探法

超前鉆探法是利用水平鉆機(jī)或風(fēng)鉆在隧道開挖工作面進(jìn)行鉆探獲取地質(zhì)信息的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。它適用于各種地質(zhì)條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發(fā)育區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)、重大物探異常區(qū)等地質(zhì)條件復(fù)雜地段必須采用。

(3)物探法

物探法是利用物理學(xué)的原理、方法和專門的儀器，觀測并綜合分析天然或人工地球物理場的分布特征，探測地質(zhì)體或地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)的勘探方法。主要方法有:彈性波反射法、電磁波反射法、紅外探測法、高分辨直流電法。其中彈性波反射法包括地震波反射法、負(fù)視速度法、陸地聲吶法、水平聲波剖面法。物探法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)具備一定地質(zhì)條件。

本隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)物探法應(yīng)用了地震波反射法(TSP203)、電磁波反射法(地質(zhì)雷達(dá))及紅外探測法，其中TSP預(yù)報(bào)有效距離可以達(dá)到100～150 m，地質(zhì)雷達(dá)及紅外探測在30 m左右。由于各種物探方法有一定的局限性，且物探解譯具有多解性，因此宜采用兩種以上物探方法結(jié)合地質(zhì)綜合分析，才能較為準(zhǔn)確地進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。TSP203原理見圖3。

圖3 TSP203原理

(4)地質(zhì)物探綜合分析法

要提高隧道超前預(yù)報(bào)水平及準(zhǔn)確度，就必須將地質(zhì)調(diào)查方法與多種物探方法有機(jī)結(jié)合起來［11］，對地質(zhì)物探資料進(jìn)行系統(tǒng)處理和綜合分析，稱之為地質(zhì)物探綜合分析法。

4.2 施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作流程

隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作采用長短結(jié)合、上下對照、定性與定量相結(jié)合，多方法、多頻次相互印證的原則，進(jìn)行綜合施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)［12］，以提高重點(diǎn)地段預(yù)報(bào)的質(zhì)量和精度。綜合施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程［13］見圖4。

圖4 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作一般流程

4.3 隧道施工預(yù)測預(yù)報(bào)內(nèi)容及范圍

長壽山隧道正洞通過了蘭州十里店復(fù)式背斜(阿森特－加里東期)，小型褶曲發(fā)育，并經(jīng)過3處不整合接觸帶，地層巖性較為復(fù)雜，第三系砂巖、砂巖夾礫巖、加里東期花崗巖、混合巖及前寒武系片巖交錯(cuò)，部分地段節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎、基巖裂隙水發(fā)育等，進(jìn)出口端及明洞淺埋段，存在圍巖失穩(wěn)、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，地質(zhì)條件復(fù)雜。

在施工過程中對長壽山隧道全線進(jìn)行了地質(zhì)編錄;對HDK46+500～HDK49+600段進(jìn)行放射性實(shí)時(shí)監(jiān)測及超前預(yù)報(bào);為盡量減少施工干擾并使超前地質(zhì)預(yù)報(bào)經(jīng)濟(jì)合理順利進(jìn)行，結(jié)合工程實(shí)際，僅對部分地段地層巖性及設(shè)計(jì)中的巖性接觸帶、不整合接觸帶、富水帶、節(jié)理裂隙密集帶，褶皺發(fā)育帶等重點(diǎn)地段采用了物探方法探測，必要時(shí)輔以超前水平鉆探，總計(jì)設(shè)計(jì)地震波反射法(TSP)探測42次，電磁波反射法(地質(zhì)雷達(dá))探測20次、紅外探測25次，超前水平鉆探900 m。進(jìn)行地質(zhì)物探綜合分析法超前預(yù)報(bào)。實(shí)施時(shí)，再根據(jù)施工地質(zhì)編錄及之前物探成果的分析，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)提出的超前物探范圍、段落，并做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、補(bǔ)充。

4.4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果

經(jīng)施工開挖驗(yàn)證，對地層巖性、巖性接觸帶、不整合接觸帶、富水帶、巖體破碎地層及節(jié)理密集帶、褶皺發(fā)育帶等的預(yù)測預(yù)報(bào)與實(shí)際基本一致，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)同時(shí)判斷了掌子面前方的圍巖類別與原設(shè)計(jì)是否吻合及其穩(wěn)定性，并為隨時(shí)提供修改設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)類型、確定二次襯砌時(shí)間提供了依據(jù)及建議等，起到了很好的指導(dǎo)施工及保駕護(hù)航作用［14］。

5 結(jié)語

(1)長壽山隧道施工開挖揭示表明，其勘察及綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高，相符率高，指導(dǎo)及保證了隧道于2011年7月順利施工貫通及蘭州鐵路樞紐全線于2012年12月正式開通運(yùn)營。實(shí)踐證明，山區(qū)長大、深埋、地形地質(zhì)復(fù)雜隧道，勘察階段采用綜合勘察技術(shù)，施工階段采用綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)，其方法是必要、合理、恰當(dāng)、適用而可行的，也是未來隧道勘察及配合施工的必然趨勢及方向。

(2)綜合勘察是一個(gè)由多階段、多工種、多工序組合的勘察體系，其核心應(yīng)為地質(zhì)勘察項(xiàng)目部，在其組織、推動下，各工種才能協(xié)調(diào)，分工合作，共同完成任務(wù)。采用綜合勘察技術(shù)可以大大減少不必要勘察工作，降低勘察成本，同時(shí)提高勘察效率、精度及準(zhǔn)確性，在各方面條件允許的情況下，應(yīng)盡可能采取多種手段進(jìn)行綜合地質(zhì)勘察，但不宜過分強(qiáng)調(diào)勘察方法的主、次性和勘察方法的多少，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的具體情況，用實(shí)事求是的態(tài)度，選擇比較科學(xué)、合理的勘察方法。

(3)每一種勘察方法和測試手段都不可避免地存在一些局限性或弊端，因此，工程勘察中應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際需要的勘察范圍、深度和精度，選擇1種或幾種恰當(dāng)?shù)目辈焓侄?。并對勘察成果進(jìn)行系統(tǒng)的綜合分析、研究，并合理解釋，相互溝通，發(fā)現(xiàn)問題現(xiàn)場要及時(shí)解決，使勘察資料更加符合實(shí)際情況。保證勘察結(jié)論正確，為隧道工程的設(shè)計(jì)、施工提供合理、可靠地質(zhì)依據(jù)。

(4)由于物探結(jié)果具有多解性，單一預(yù)報(bào)方法往往無法全面掌握隧道地質(zhì)信息，采用綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，可以得出較為可靠的結(jié)論，能夠大大減少誤報(bào)和漏報(bào)情況。其所選用的預(yù)報(bào)方法應(yīng)各盡其能，各展所長，各有側(cè)重，同時(shí)相互配合、驗(yàn)證補(bǔ)充，距離上長短結(jié)合。將物探方法進(jìn)行合理組合，可以防止重復(fù)探測，并能夠增強(qiáng)預(yù)報(bào)效果，避免盲目施工帶來的突水、突泥，危巖垮塌等工程事故，提高施工效率，降低成本。

(5)施工前，應(yīng)根據(jù)隧道具體情況，各段落需要解決的具體問題，事先做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)工作，施工過程中，根據(jù)施工揭示情況隨時(shí)動態(tài)調(diào)整施工方案，以保證隨時(shí)指導(dǎo)及保證施工安全。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司.長壽山特長隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.蘭州:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，2009.

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