寶蘭客運(yùn)專線黃土隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的研究

梁樹文

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

寶蘭客運(yùn)專線黃土隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的研究

梁樹文

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

寶蘭客運(yùn)專線定西段黃土隧道施工中出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題主要因土體高含水率引起。單純的物探法在黃土隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中效果不理想，新方法的研究對(duì)于彌補(bǔ)物探法的不足及達(dá)到預(yù)報(bào)目的具有十分重要的意義。分析常規(guī)物探法的局限性，通過上莊隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工程實(shí)例，提出應(yīng)用綜合分析法開展地質(zhì)預(yù)報(bào)的新思路。

黃土隧道；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；TSP預(yù)報(bào)的局限性；綜合分析法

1 概述

隨著西北地區(qū)鐵路的快速發(fā)展，黃土隧道所占比例越來越高，目前在建的寶蘭客運(yùn)專線黃土隧道長度約占隧道總長的10%，隨之而來的工程地質(zhì)問題也越來越突出，主要表現(xiàn)為土體含水率高或含水砂礫層在拱頂?shù)姆植加绊懻Ｊ┕?，或造成安全事故?！惰F路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南》[1]是目前唯一一本行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容多以硬質(zhì)巖、巖溶發(fā)育地區(qū)為例說明，對(duì)黃土隧道可能出現(xiàn)的地質(zhì)問題，缺乏具針對(duì)性的說明及方法介紹，對(duì)此進(jìn)行預(yù)報(bào)。因此，綜合分析法就變得格外重要。

2 地質(zhì)概況及工程地質(zhì)問題

2.1 地質(zhì)概況

寶蘭客運(yùn)專線定西段東起定西市通渭縣，西訖蘭州市榆中段，線路長約146 km。地處隴西黃土高原溝壑、梁峁區(qū)，區(qū)內(nèi)黃土溝壑縱橫，梁峁起伏，地形起伏較大，地面高程在1 200～2 000 m，相對(duì)高差200～500 m。土質(zhì)隧道洞身通過地層主要為第四系上更新統(tǒng)-中更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土，第三系泥巖。地表水不發(fā)育，各溝基本無天然地表徑流，只在雨后形成暫短水流，黃土孔隙水主要在地表平坦、洞身淺埋段分布，且季節(jié)性變化大。

2.2 工程地質(zhì)問題

寶蘭客運(yùn)專線土質(zhì)隧道施工過程中出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題[2]主要為高含水率黃土，砂礫石含水層的分布。

2.2.1 高含水率黃土

部分隧道土體含水率普遍大于17%，一般為22%～26%，個(gè)別段落甚至大于26%，形成飽和黃土，出現(xiàn)掌子面穩(wěn)定性差，沉降量大等現(xiàn)象，甚至發(fā)生掌子面涌泥、塌方、地表塌陷、隧道冒頂?shù)葒?yán)重事故。

2.2.2 砂礫石含水層

不同于針對(duì)橋涵工程基礎(chǔ)的勘察，受限的勘探數(shù)量及位置、不規(guī)律的地層成因，使得地勘階段的地質(zhì)縱斷面不可能完全精準(zhǔn)地揭示出隧道洞身地層巖性的分布及變化。例如隧道地質(zhì)斷面多將單個(gè)鉆孔揭示的砂礫石層以透鏡體分布處理，但部分隧道實(shí)際開挖顯示當(dāng)隧道掌子面地層結(jié)構(gòu)為土石界面時(shí)，往往在第四系黃土底部層狀分布有沖積成因的砂礫石，單層厚一般小于5 m，由于第三系泥巖的隔水性，使得砂礫石成為地下水的富集和流通通道。尤其當(dāng)基巖面抬升，砂礫石層到達(dá)隧道拱頂位置時(shí)，開挖掉塊、坍塌的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

3 常用物探法的工作原理

3.1 TSP工作原理

TSP 探測為彈性波發(fā)射法中最常用的一種。工作原理是利用在隧道圍巖以排列方式激發(fā)彈性波，彈性波在向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面(介質(zhì)的密度和其傳播彈性波的速度乘積)，即地質(zhì)巖性變化的界面、構(gòu)造破碎帶、巖溶和巖溶發(fā)育帶等，會(huì)產(chǎn)生彈性波的反射現(xiàn)象，這種反射波被布置在隧道圍巖內(nèi)的檢波裝置接收下來，輸入到儀器中進(jìn)行信號(hào)的放大、數(shù)字采集和處理，實(shí)現(xiàn)拾取掌子面前方巖體中的反射波信息，達(dá)到預(yù)報(bào)的目的[2-3]。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)(簡稱GPR)是一種用于探測地下介質(zhì)分布的廣頻電磁技術(shù)。其工作原理是基于地層的電性差異(介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同)，向掌子面發(fā)射高頻電磁波，并接收反射的電磁波進(jìn)行處理、分析、解釋的一項(xiàng)工程物探技術(shù)[2-4]。

4 物探法預(yù)報(bào)目的及效果

4.1 預(yù)報(bào)目的

針對(duì)黃土隧道存在的工程地質(zhì)問題，物探法預(yù)報(bào)的目的在于輔助地質(zhì)人員預(yù)判前方掌子面土體含水率的變化趨勢(shì)、飽和黃土的分布段落及砂礫石夾層的厚度、埋深變化。從而達(dá)到高效預(yù)報(bào)，為安全施工提供保障。

4.2 預(yù)報(bào)效果

單純的依靠物探手段進(jìn)行黃土隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，效果不是很理想。對(duì)地質(zhì)雷達(dá)而言，反射波能量的大小取決于反射系數(shù)，反射系數(shù)與界面兩側(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的差異程度呈正比。有別于基巖裂隙水，黃土孔隙潛水發(fā)育段與干燥土體之間不可能存在明確的界面，所以在基巖隧道采用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)，完整巖體與破碎段裂隙水之間能反應(yīng)出反射波能量的變化，而在土體中就不明顯了。相比土石(第三系泥巖)界面，土與砂礫石層界面較理想。

與地質(zhì)雷達(dá)工作原理相似，TSP的聲阻抗界面[2]在該類地層結(jié)構(gòu)隧道中的反應(yīng)同樣不是很理想。此外，相比地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場較便捷的操作，TSP實(shí)施還存在局限性。

5 TSP預(yù)報(bào)存在的局限性

TSP原理本質(zhì)即為彈性波法，該預(yù)報(bào)系統(tǒng)是專門為隧道和地下工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研制開發(fā)的目前世界上在這個(gè)領(lǐng)域最先進(jìn)的設(shè)備，它能方便快捷預(yù)報(bào)掌子面前方較長范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，彌補(bǔ)地質(zhì)預(yù)報(bào)只能定性預(yù)報(bào)無法定量預(yù)報(bào)的缺陷。然而面對(duì)在建寶蘭客運(yùn)專線黃土隧道如何實(shí)施并達(dá)到良好的預(yù)報(bào)目的，TSP在操作性上還存在局限性，這種局限性主要體現(xiàn)在安全施工及觀測系統(tǒng)的布置。

5.1 安全施工

段內(nèi)隧道進(jìn)、出口及淺埋段洞身地層多為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，土質(zhì)較均勻，孔隙及蟲孔發(fā)育，孔隙比一般在0.9左右。新黃土多孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育的特性，使得地震波損失嚴(yán)重，信號(hào)信噪比低。黃土的土質(zhì)造成地震波損失嚴(yán)重，土質(zhì)地層濾波作用較強(qiáng)，損失高頻有效信號(hào)，為了得到可靠的數(shù)據(jù)就要加大藥量，但是加多大藥量及孔內(nèi)爆破對(duì)隧道安全施工的影響尚無科學(xué)論證，施工單位對(duì)此多表示不可實(shí)施。

5.2 觀測系統(tǒng)布置的局限性5.2.1 系統(tǒng)布距

TSP系統(tǒng)主要由記錄單元、接收單元及附件和爆炸裝置組成，爆炸裝置在初襯段埋設(shè)，接收單位(接收器)布置要求距掌子面50 m，然而在施工過程中往往因地質(zhì)條件差，二襯早跟進(jìn)，使得系統(tǒng)布距不足，TSP無法實(shí)施。

5.2.2 成孔率較差

炮孔要求深度1.5 m，V級(jí)圍巖除表層0.25 m混凝土初襯外，需鉆入土體1.25 m，按炮孔要下傾10°～20°的成孔要求，現(xiàn)場打孔時(shí)，工人完全憑手感開鉆，上下調(diào)節(jié)，土體受不均勻擾動(dòng)，拔鉆后有塌孔現(xiàn)象，成孔率較低或成孔不理想，直接影響了有效數(shù)據(jù)的采集。此外，裝藥深度過淺或炸藥掉入初期支護(hù)與圍巖之間空洞，產(chǎn)生大量無用的面波信號(hào)，且無法過濾，造成有用信號(hào)和無用信號(hào)嚴(yán)重混淆[5]。

5.2.3 施工工藝

由于隧道開挖采用七步臺(tái)階法施工，24個(gè)炮眼同樣高度(距隧道底面1 m)的要求受限，下臺(tái)階到掌子面的距離還有約12 m，往往需要在中臺(tái)階也打孔(一般為5～6個(gè)，視臺(tái)階長度定)。此外，第1個(gè)炮孔應(yīng)該距掌子面的距離在《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南》[1]附錄J中也沒有明確的說明。當(dāng)炮孔高差較大時(shí)，會(huì)造成洞身有效范圍內(nèi)的部分地質(zhì)界面反映不出來，影響預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和精度。

6 綜合分析法

針對(duì)黃土隧道存在的工程地質(zhì)問題，要想單純的依靠物探法獲得理想的效果是不現(xiàn)實(shí)的。應(yīng)利用常規(guī)地質(zhì)理論、趨勢(shì)預(yù)測，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水預(yù)報(bào)成果，綜合的分析預(yù)判地質(zhì)變化，才能達(dá)到超前預(yù)報(bào)的效果。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐情況，現(xiàn)總結(jié)為幾下幾點(diǎn)。

6.1 黃土高含水率現(xiàn)象

進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)人員不一定參與過地質(zhì)勘測，在做好洞內(nèi)掌子面素描，重點(diǎn)關(guān)注土體含水率變化的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)、出口及淺埋段地表地質(zhì)調(diào)查，主要了解受人類活動(dòng)影響的地表現(xiàn)狀。此外不能忽視對(duì)勘測地質(zhì)資料的收集、分析。

上莊隧道位于蘭州市榆中縣，出口段長約495 m，埋深20～50 m，地表地形較平坦，經(jīng)調(diào)查多已辟為耕地，黃土陷穴較發(fā)育。明暗洞里程DK983+395，掌子面地層為第四系上更新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土，土質(zhì)均勻，土體潮濕，實(shí)測含水率上臺(tái)階20.3%，中臺(tái)階20.8%，下臺(tái)階20.4%，基地20.8%。設(shè)計(jì)洞身依次通過第四系上更新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土。統(tǒng)計(jì)地勘階段土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，砂質(zhì)黃土塑性指數(shù)平均值為8.9，含水率21.6%，黏質(zhì)黃土塑性指數(shù)為10.1，含水率20.7%；土體干密度均為1.6 g/cm3，孔隙比均為0.7。綜合以上信息地質(zhì)推測，出口段地形、地層巖性利于大氣降水下滲，砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土物理性質(zhì)差異小，孔隙水分布不受地層變化影響，預(yù)報(bào)該段土體含水率持續(xù)較高，三臺(tái)階差異小，局部可能出現(xiàn)飽和黃土。

開挖證明，該段土體含水率持續(xù)較高(平均22.5%)，施工監(jiān)測沉降較大，掌子面局部含水率可達(dá)28%，土體飽和，掌子面穩(wěn)定性較差，目前施工采用徑向注漿方案處理?？偨Y(jié)認(rèn)為，當(dāng)土體含水率W<17%時(shí)，正常施工；含水率17%26%時(shí)，措施加強(qiáng)，到28%時(shí)就出現(xiàn)飽和黃土了。

6.2 黃土中砂礫夾層現(xiàn)象

受三臺(tái)階開挖工法限制，現(xiàn)場操作中地質(zhì)雷達(dá)天線無法按“井”字形布置，一般多在上臺(tái)階掌子面進(jìn)行。但當(dāng)掌子面出現(xiàn)兩種及以上巖性時(shí)，只在上臺(tái)階進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)測試無法很好對(duì)前方掌子面地層結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行預(yù)報(bào)，應(yīng)在充分了解該隧道地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上分別在不同巖性面進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)。

上莊隧道位于蘭州市榆中縣，地貌單元屬宛川河階地。斜井蘭州方向設(shè)計(jì)洞身通過地層主要為第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土、第三系泥巖，局部段落鉆孔揭示分布有中砂透鏡體，厚0～5 m，2 m位于隧道拱頂以上[6]。斜井交叉口開挖揭示，在仰拱頂部土石界面之間有薄層砂層，厚約0.3～0.5 m，以粗-礫砂為主，含礫石，局部有膠結(jié)，潮濕-飽和，有滲水現(xiàn)象。綜合以上信息地質(zhì)推測，該段內(nèi)土石界面間的砂礫層是連續(xù)分布的，屬第三系泥巖頂部洪積成因?qū)?，利于地下水的賦存、流通，開挖出水量與單層砂礫層厚度及膠結(jié)程度有關(guān)，在上臺(tái)階頂部分布時(shí)，不利于施工。

開挖證明，該段內(nèi)土石界面的礫砂層是連續(xù)分布的，當(dāng)土石界面高程接近鉆孔中砂層底部高程時(shí)，掌子面距鉆孔約100 m，拱頂以下約1.5 m為砂(中砂為主)土夾層，有滲水現(xiàn)象，左拱角為線狀出水現(xiàn)象。為驗(yàn)證地質(zhì)推測，分別用天線貼合掌子面砂土面和泥巖面進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)測試。雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示，砂土面雷達(dá)信號(hào)反射波能量較弱，無明顯異常，推斷前方掌子面該段地層沒有變化；泥巖面雷達(dá)信號(hào)反射波能量較強(qiáng)，有明顯異常，推斷前方掌子面巖性有變化。結(jié)論為推斷前方20 m范圍內(nèi)拱頂以下砂土層將變厚，同時(shí)根據(jù)紅外探水預(yù)報(bào)資料顯示，前方掌子面10 m范圍內(nèi)拱頂及左拱角含水量相對(duì)當(dāng)前掌子面增大，其他部位巖體含水量相當(dāng)或減小。當(dāng)前掌子面拱頂以下3 m為砂夾土層，中砂為主，左拱角含砂量相對(duì)較高，且砂質(zhì)較純，無膠結(jié)，隨開挖伴隨有間斷性股狀出水，出水量約45 m3/d。地質(zhì)推測成立，物探輔助預(yù)報(bào)較理想，該段圍巖等級(jí)由Ⅳ級(jí)變更為Ⅴ級(jí)[7]，目前施工采用管棚、小導(dǎo)管注漿處理。

7 結(jié)論

(1)黃土隧道常見的工程地質(zhì)問題主要因土體高含水率引起。總結(jié)認(rèn)為，當(dāng)土體含水率W<17%時(shí)，正常施工；含水率17%26%時(shí)，措施加強(qiáng)，到28%時(shí)就出現(xiàn)飽和黃土了。

(2)黃土隧道運(yùn)用常規(guī)物探法效果不理想，存在局限性，應(yīng)運(yùn)用綜合分析法。

(3)及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握土體含水率的大小對(duì)進(jìn)行綜合分析意義重大。

(4)《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南》[1]未涉及實(shí)測含水率的相關(guān)要求，建議將該工作環(huán)節(jié)納入超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作范疇。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)[2008]105號(hào)鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南 [S].北京：中國鐵道出版社，2008.

[2] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.寶雞至蘭州客運(yùn)專線隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施大綱[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.

[3] 王利偉，徐永明.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(7)：164-167.

[4] 毛星.地質(zhì)雷達(dá)在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(7)：192-194.

[5] 解振師.TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)誤差原因淺析及對(duì)策[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(2):77-80.

[6] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.上莊隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

Research on Advance Geological Forecast for Loess Tunnels on Baoji-Lanzhou Passenger Dedicated Line

LIANG Shu-wen

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xian 710043, China)

Some engineering geological problems in the construction of loess tunnels of Dingxi section on Baoji-Lanzhou passenger dedicated line are caused by high moisture content of soil. The pure geophysical exploration method employed in advanced geological forecast of loess tunnel is far from satisfactory. It is great significant to look for new methods to make up for the shortage of the geophysical exploration method for good forecast results. This paper analyzes the limitations of conventional geophysical exploration method with reference to the advanced geological forecast of Shangzhuang tunnel and puts forward a new and comprehensive analysis method for geological forecast.

Loess tunnel; Advanced geological forecast; Limitations of TSP forecast; Comprehensive analysis method

2014-09-16；

2014-09-24

梁樹文(1982—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于西安科技大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:liangshuwen2002@163.com。

1004-2954(2015)03-0087-03

U456.3+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.020