綜合超前地質(zhì)預(yù)報在天坪隧道施工中的應(yīng)用

王明慧，魯軍良，楊仁春

(1．渝黔鐵路有限責(zé)任公司，重慶 400014;2．中鐵隧道勘測設(shè)計院，四川 成都 300133)

1 天坪隧道概況

天坪隧道起訖里程DK116+258—DK130+236，全長13.978 km，為渝黔鐵路全線最長的單洞雙線鐵路隧道，設(shè)計速度200 km/h，工期4年。隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，集高瓦斯、刺激性氣體、巖溶、斷層破碎帶、軟弱圍巖、大涌水量、高應(yīng)力、高地溫、危巖、落石于一體，屬Ⅰ級高風(fēng)險隧道。隧道洞身穿越多條斷層、節(jié)理密集帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶，施工中容易出現(xiàn)坍塌、涌水、突泥等安全風(fēng)險，隧道涌水量大(預(yù)計隧道正常涌水量為83 773 m3/d，雨季最大涌水量為251 319 m3/d);DK127+850處洞身通過龍?zhí)督M煤系地層，為瓦斯突出區(qū)段，施工風(fēng)險極大。隧道連續(xù)穿越C3，C5煤層，煤層厚2.45 m，瓦斯含量高，壓力大，且有瓦斯突出危險，隧道橫洞區(qū)段為瓦斯突出區(qū)段。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法及應(yīng)用

2.1 預(yù)報方法

為保證隧道的施工安全，施工中應(yīng)采用綜合超前地質(zhì)探測、信息化監(jiān)控和動態(tài)管理等方式對地表水、地下水、圍巖、支護狀態(tài)和瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，隨時掌握監(jiān)測對象的狀態(tài)，建立監(jiān)控量測管理基準(zhǔn)值，有效降低地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，確保施工及工程結(jié)構(gòu)的安全。

在高風(fēng)險隧道施工過程中，超前地質(zhì)預(yù)報工作是保證隧道施工安全的重要環(huán)節(jié)和技術(shù)手段［1］。高風(fēng)險隧道的風(fēng)險類型多種多樣，應(yīng)采用能相互印證的預(yù)報方法，以提高預(yù)報的準(zhǔn)確率。

超前地質(zhì)預(yù)報方法主要分為地質(zhì)調(diào)查法、物探法、鉆探法、超前導(dǎo)坑法4大類［2］。目前國內(nèi)隧道施工常用的地質(zhì)預(yù)報手段有地質(zhì)素描、TSP203、TGP、TRT6000、TST、紅外探測、地質(zhì)雷達、高分辨直流電法、超前地質(zhì)鉆探、加深炮孔和平行導(dǎo)坑等。

2.1.1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法是根據(jù)隧道已有勘察資料和洞內(nèi)地質(zhì)素描，通過地層產(chǎn)狀、層序?qū)Ρ?、?gòu)造產(chǎn)狀及與隧道空間位置關(guān)系，結(jié)合隧道開挖揭示的圍巖巖性、產(chǎn)狀變化來推測開挖工作面前方地質(zhì)情況的一種超前地質(zhì)預(yù)報方法［3］，包括地表地質(zhì)調(diào)查和洞內(nèi)地質(zhì)素描，適用于各種地質(zhì)條件下的隧道預(yù)報，是所有隧道施工中普遍采用的預(yù)報手段之一。

2.1.2 物探法

物探法方法多，設(shè)備輕便，對施工干擾少，是超前地質(zhì)預(yù)報的重要手段。物探資料只有在物性資料和地質(zhì)資料齊全的基礎(chǔ)上進行定量解釋，才能獲得準(zhǔn)確的解釋參數(shù)，在實際應(yīng)用中往往存在多解性［4］。物探法按原理又可分為地震波反射法、紅外探測法、電磁波反射法、直流電法。其代表性的預(yù)報手段分別是TSP203、紅外探測、地質(zhì)雷達、高分辨直流電法。

TSP203預(yù)報是通過地震波在圍巖中的傳播與反射來預(yù)報作業(yè)面前方地質(zhì)情況，預(yù)報距離一般為100～150 m［5］。其對斷層、較大型溶洞、軟弱圍巖接觸帶等帶狀軟弱破碎帶預(yù)報較為準(zhǔn)確，而對于小規(guī)模的裂隙、軟弱夾層、巖溶管道等預(yù)報精度不高，容易忽視。當(dāng)施工地段圍巖條件差，地震波在圍巖中衰減損失嚴(yán)重時，則TSP203預(yù)報距離短，預(yù)報準(zhǔn)確率差，不宜采用。與TSP203類似的預(yù)報方法有 TGP、TRT6000、TST。

紅外探測法是通過分析圍巖的紅外輻射場強值來判斷作業(yè)面前方地下水發(fā)育情況［6］，但不能探測圍巖強度和完整性，預(yù)報距離不大于30 m。而且，受隧道內(nèi)施工環(huán)境干擾，預(yù)報距離短，預(yù)報精度不高，可以作為一種輔助手段，不宜單獨采用。

地質(zhì)雷達法是通過電磁波在巖體中傳播與反射來探測作業(yè)面前方圍巖的完整性［7］，對30 m范圍內(nèi)的寬張裂隙、溶槽、溶洞預(yù)報較為準(zhǔn)確，因此主要用于可溶巖地段的巖溶預(yù)報。

高分辨直流電法是通過分析圍巖的電阻率差異來探測圍巖地下水的發(fā)育情況，預(yù)報距離一般不超過80 m，受隧道內(nèi)環(huán)境因素影響較大，目前在鐵路隧道施工中并未普遍應(yīng)用。

2.1.3 鉆探法

鉆探法分為超前地質(zhì)鉆探和加深炮孔探測。超前地質(zhì)鉆探是最直觀的一種超前地質(zhì)預(yù)報方法，不存在物探手段經(jīng)常發(fā)生的多解性，主要用于巖溶、不良地質(zhì)段落的探測［8-9］;其缺點是探測費用高、占用施工時間長。因此，超前地質(zhì)鉆探的一般設(shè)計孔數(shù)為1～3個。加深炮孔探測是在隧道開挖的鉆孔基礎(chǔ)上增加3～5個深炮孔，具有操作方便、費用低、占用隧道施工時間短，可作為超前地質(zhì)鉆探的有效補充。

2.1.4 超前導(dǎo)坑法

超前導(dǎo)坑法是以超前導(dǎo)坑中揭示的地質(zhì)情況，通過產(chǎn)狀分析進行地質(zhì)填圖預(yù)報正洞地質(zhì)條件的方法。適用于線間距較小的設(shè)計有平導(dǎo)洞的隧道或雙線隧道，以先行開挖的坑道預(yù)報后開挖坑道的地質(zhì)條件。

2.2 綜合預(yù)報方法的應(yīng)用

天坪隧道穿越的巖性有泥巖、砂巖和灰?guī)r，主要有煤層瓦斯突出、巖溶、斷層突泥突水等風(fēng)險源。針對天坪隧道地質(zhì)條件和風(fēng)險類型，確定采用以下預(yù)報手段:

1)非可溶巖(泥巖、砂巖)地段。當(dāng)設(shè)計不存在地質(zhì)構(gòu)造或不良地質(zhì)時，采用TSP、地質(zhì)素描總體確定局部是否存在小型斷層、褶皺，輔以加深炮孔探測基巖裂隙水發(fā)育情況;當(dāng)探測到斷層或其他地質(zhì)構(gòu)造時，再補充超前地質(zhì)探孔進行驗證，確定構(gòu)造規(guī)模、圍巖完整性及地下水發(fā)育情況。

2)可溶巖(灰?guī)r)地段。地質(zhì)預(yù)報以單孔超前地質(zhì)鉆探為主，通過地質(zhì)素描、TSP預(yù)報巖溶發(fā)育程度，輔以地質(zhì)雷達、加深炮孔確定巖溶裂隙、管道、溶槽、溶洞等具體的巖溶發(fā)育形態(tài)。

3)斷層破碎帶、煤系地層等不良地質(zhì)地段。通過地質(zhì)素描、TSP總體控制不良地質(zhì)可能存在位置，輔以地質(zhì)雷達、超前地質(zhì)鉆探、加深炮孔進一步確定其發(fā)育規(guī)模、富水情況。

按照上述預(yù)報原則，天坪隧道施工中超前預(yù)報出了斷層破碎帶、巖溶裂隙、溶槽等，準(zhǔn)確地指導(dǎo)了施工。

天坪隧道橫洞在開挖至HDK1+400時地質(zhì)素描(見圖1)確定該地段為可溶巖，發(fā)育巖溶裂隙，判定巖溶中等發(fā)育，應(yīng)加強巖溶探測工作。施工中在以單孔超前地質(zhì)鉆探為主，以TSP203遠距離控制預(yù)報為前提的基礎(chǔ)上，輔以地質(zhì)雷達、加深炮孔進行巖溶發(fā)育形態(tài)探測。

圖1 HDK1+400地質(zhì)素描

在HDK1+328里程處進行的地質(zhì)雷達探測結(jié)果顯示，HDK1+308—HDK1+300段存在異常(見圖2)，判斷該段發(fā)育寬張巖溶裂隙或溶槽。

圖2 地質(zhì)雷達解譯

在HDK1+315里程處進行的超前地質(zhì)探孔探測到HDK1+308處發(fā)育一條溶槽，并揭示高壓涌水，瞬時涌水量約500 m3/h，水質(zhì)渾濁，排放后涌水量逐漸減少，最后變?yōu)闈B水。

結(jié)合地質(zhì)素描和加深炮孔結(jié)果分析:該溶槽與橫洞斜交，從左邊墻向前方延伸，由微張的節(jié)理裂隙溶蝕發(fā)展為溶槽，最寬處為1 m，充填大量流塑狀巖溶泥，見圖3。

圖3 溶槽發(fā)育位置平面示意

在HDK1+330里程處進行的TSP203探測結(jié)果顯示(見圖4)，前方100 m圍巖較破碎～破碎，巖溶中等～強烈發(fā)育，局部溶蝕裂隙發(fā)育，存在軟弱破碎帶、溶洞、溶槽等，特別是HDK1+310—HDK1+305段圍巖較差，施工中易產(chǎn)生塌方、拱部掉塊、涌水等地質(zhì)災(zāi)害。

圖4 TSP法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果

此次預(yù)報通過合理的運用地質(zhì)素描、TSP203、地質(zhì)雷達、超前地質(zhì)鉆孔、加深炮孔等預(yù)報手段超前準(zhǔn)確探明了溶槽發(fā)育情況，避免突泥涌水事故的發(fā)生，并為調(diào)整和優(yōu)化隧道設(shè)計參數(shù)、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害等提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

3 結(jié)語

由于對不良地質(zhì)體的認識和判別存在主觀偏差，而且勘測、測試手段的局限性和人為解譯的差異性，難以保證超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確和及時。每一種預(yù)報都有一定適用范圍和預(yù)報優(yōu)勢，因此，應(yīng)該根據(jù)圍巖巖性、不良地質(zhì)類型有針對性地選用合適的預(yù)報方法。

1)同一類的預(yù)報方法，比如TSP、TGP、TST都是以分析反射的地震波為基本原理，若要采用此類物探方法，可以選用其中一種。

2)物探法預(yù)報受隧道內(nèi)施工環(huán)境影響較大，當(dāng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集條件較差時，探測結(jié)果易出現(xiàn)多解。要保證物探法準(zhǔn)確率就應(yīng)做好數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備工作，減少施工對預(yù)報的干擾。

3)為確保地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確度，應(yīng)采用長短距離預(yù)報相結(jié)合的方式。

4)超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)該由專業(yè)的地質(zhì)、物探專業(yè)人員進行實施，以保證預(yù)報準(zhǔn)確性，避免出現(xiàn)漏報。

［1］何發(fā)亮，李蒼松．隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)的發(fā)展［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001(3):410-411．

［2］王明柱，葉建．TSP203在保上隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用［J］．公路與汽運，2011(3):188-190．

［3］吳泰然，何國琦．普通地質(zhì)學(xué)［M］．北京:北京大學(xué)出版社，2003．

［4］曾昭璜．隧道地震反射法超前預(yù)報［J］．地球物理學(xué)報，1994(2):268-270．

［5］馮順劍．TSP203在蒼嶺隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用［J］．四川建筑，2006(4):74-76．

［6］郎玉光．隧道超前地質(zhì)預(yù)報綜合技術(shù)［J］．鐵道建筑，2007(12):48-50．

［7］李大心．探地雷達原理與應(yīng)用［M］．北京:地質(zhì)出版社，1994．

［8］劉志剛，趙勇．隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù)［M］．北京:中國鐵道出版社，2001．

［9］陳萬青，趙勇．綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在朱砂堡2#巖溶隧道中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2013(7):65-67．