綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在重慶酉沿高速中的應(yīng)用

孟令辰

(1．東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040;2．中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京 101102)

1 工程概況

重慶酉陽至貴州沿河(重慶段)高速公路項(xiàng)目全長31．027km，橋隧比47．8%，項(xiàng)目總投資36．5億元。其中酉陽1號隧道(ZK1 + 904—ZK5 + 760)屬于特長隧道，長度為3 856m，隧址地處渝東南多山巖溶發(fā)育區(qū)域，山體多以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，巖溶極發(fā)育，在前期地勘中顯示隧址上方有五處大型的落水洞連通到隧道位置附近，隧址下方存在地下暗河。

2 巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

2．1 巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)狀

巖溶隧道施工中最大的安全隱患是涌(突)水(泥)，它嚴(yán)重危及隧道施工的安全，影響隧道施工的進(jìn)度，而且如果隧道施工措施不當(dāng)，常常會使隧道建成后運(yùn)營環(huán)境惡劣，地表環(huán)境惡化，給人們的生產(chǎn)和生活造成重大的損失。隨著近年來物探技術(shù)不斷發(fā)展，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。其利用常規(guī)地質(zhì)方法、工程物探方法、鉆探法、數(shù)值分析法等，在隧道開挖前預(yù)報(bào)前方地質(zhì)情況，特別是在復(fù)雜地質(zhì)條件隧道施工過程中，在加強(qiáng)工程地質(zhì)分析的同時(shí)，結(jié)合物探、鉆探對不良地質(zhì)體進(jìn)行的探測分析得出成果，為隧道工程的快速掘進(jìn)、材料的提前準(zhǔn)備及地質(zhì)災(zāi)害事故的有效預(yù)防提供了可靠的地質(zhì)資料和信息。

目前，隧道超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)以單一地采用地質(zhì)鉆探法或物理探測為主。前者主要為超前水平地質(zhì)鉆孔、加深炮孔，后者主要有地質(zhì)雷達(dá)、TSP 法等。由于水平地質(zhì)鉆孔只能進(jìn)行短距離預(yù)報(bào)且占用掌子面時(shí)間較長，物探成果具有多解性，對于地處地質(zhì)情況復(fù)雜的隧道采用單一預(yù)報(bào)方法得出的預(yù)報(bào)成果并不十分可靠。

2．2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)實(shí)施方案

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組結(jié)合酉陽1 號隧道屬于特長公路隧道的實(shí)際，并針對開挖斷面大、隧址地質(zhì)情況復(fù)雜和巖溶發(fā)育等特點(diǎn)，首先制定了采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的預(yù)報(bào)方案。這樣既可以有效兼顧兩種預(yù)報(bào)方法的優(yōu)點(diǎn)，還可以避免采取單一方法對隧道環(huán)境分析的不足。即利用常規(guī)地質(zhì)方法、工程物探方法、鉆探法、數(shù)值分析法對隧道地質(zhì)情況綜合分析，得出預(yù)報(bào)成果，使預(yù)報(bào)成果準(zhǔn)確性高，為在復(fù)雜地質(zhì)情況下隧道施工、及時(shí)制訂處理預(yù)案提供了科學(xué)依據(jù)。

2．3 物探設(shè)備工作原理

TSP 探測法采用了回聲測量原理，地震波在介質(zhì)中傳播會遇到不同的巖石界面，進(jìn)而將一部分的地震信號反射回來，我們利用接收器將反射回來的數(shù)據(jù)加以收集，再通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行后期的處理分析，得出預(yù)報(bào)成果。

地質(zhì)雷達(dá)方法原理是利用發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射廣譜、脈沖形式的高頻、甚高頻電磁波，電磁波遇到電性(介電常數(shù)、電導(dǎo)率)差異界面時(shí)將發(fā)生透射、折射和反射現(xiàn)象，同時(shí)介質(zhì)對傳播的電磁波也會產(chǎn)生吸收濾波和散射作用。用接收天線接收并記錄來自地下的反射波，采用相應(yīng)的處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 酉沿1 號隧道左線ZK2 +960 溶洞綜合預(yù)報(bào)實(shí)例

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，ZK2 +930—ZK2 +980 段隧址上方存在大型落水洞一處，上下連通，可能與隧道下方的地下暗河相連。為探明前方圍巖情況，預(yù)報(bào)組采用了以TSP 探測位置，綜合使用地質(zhì)雷達(dá)探測、水平鉆探法等多種探測手段，基本探明前方圍巖的情況，為方案的制定提供了可靠的依據(jù)。

3．1 TSP 探測

2014年5月4日，預(yù)報(bào)組對酉陽1 號隧道左線首先常規(guī)地采用了TSP 探測法進(jìn)行中長距離的探測預(yù)報(bào)，在掌子面里程為ZK2 +927 處施做TSP 探測法。預(yù)報(bào)組處理流程包括11 個(gè)主要步驟，即:數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→初至波拾取→拾取波處理→爆破波能量均衡→Q 估計(jì)→反射波提取→P-S 波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。處理的最終成果包括P 波、SH 波、SV 波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等，以及反射層在探測范圍內(nèi)的2D 空間分布圖。從二維成果圖分析顯示ZK2 +944—ZK2 +973 段圍巖各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)呈跳躍狀變化，不良地質(zhì)體反射界面雜亂，相位為負(fù)，此段為物探異常區(qū)段。初步推斷為該段圍巖破碎，裂隙發(fā)育，巖質(zhì)軟硬相間，可能發(fā)育充填泥質(zhì)溶腔，局部裂隙水發(fā)育。

3．2 地質(zhì)雷達(dá)探測

根據(jù)TSP 的中長距離的預(yù)報(bào)成果，預(yù)報(bào)組在掌子面里程為ZK2 +940 位置時(shí)采用了地質(zhì)雷達(dá)探測，每次預(yù)報(bào)15—25m 之間的中短距離，前后兩次預(yù)報(bào)有至少5m 以上的搭接預(yù)報(bào)長度，由于開挖工法是二臺階開挖法，因此我們采用布置上下兩條測線的方式對掌子面前方進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測，進(jìn)一步明確掌子面前方的圍巖情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)ZK2 +952—ZK2+957 段掌子面不同程度地出現(xiàn)了溶蝕裂隙、局部圍巖破碎、小型褶皺構(gòu)造等情況后，預(yù)報(bào)組決定在掌子面ZK2 +957 處施做地質(zhì)雷達(dá)探測。結(jié)合之前開挖情況和掌子面當(dāng)時(shí)的地質(zhì)情況及地質(zhì)雷達(dá)回波圖，綜合分析得到0—280ns 段，電磁波同相軸較連續(xù)，局部振幅較強(qiáng)，以中、低頻信號為主，推斷此段圍巖為灰?guī)r，節(jié)理、裂隙發(fā)育，圍巖較破碎，巖溶發(fā)育，局部裂隙夾有泥質(zhì)，圍巖濕潤;其中60—280ns 段，掌子面左側(cè)及中部為物探異常區(qū)，推斷該異常是由于巖溶等類似結(jié)構(gòu)引起的。該結(jié)果與TSP 探測結(jié)果相符。

3．3 超前水平鉆孔驗(yàn)證

根據(jù)上述探測成果，預(yù)報(bào)組建議在ZK2 +957 處暫時(shí)停止掌子面掘進(jìn)，因?yàn)槲锾疆惓^(qū)距離現(xiàn)在的掌子面最近的位置僅3m 左右，為保障施工安全，保證有足夠厚度的安全巖盤可以防止溶腔中的充填物突涌，確保人員安全和機(jī)械財(cái)產(chǎn)不受到損失。預(yù)報(bào)組與項(xiàng)目部協(xié)商溝通在掌子面ZK2 +957 處進(jìn)行超前水平鉆探，驗(yàn)證兩次物探結(jié)論是否正確。若存在溶洞，則探明溶洞中的充填物及溶腔的大小、深度，從而為后續(xù)的施工提供可靠的科學(xué)依據(jù)。本次預(yù)報(bào)組為節(jié)省占用掌子面的時(shí)間，采用的是非取芯超前地質(zhì)鉆。這種鉆探的優(yōu)點(diǎn)是鉆進(jìn)速度快，探溶效果好，根據(jù)鉆進(jìn)的不同特征、反水情況來判斷前方的地質(zhì)情況;不足之處是不能取出前方圍巖的芯樣，不能更直觀地看到前方圍巖的具體變化。為進(jìn)一步探明物探異常區(qū)的情況，預(yù)報(bào)組依據(jù)雷達(dá)圖像在掌子面的左側(cè)、中部、左上部設(shè)置了三個(gè)鉆孔位置。在鉆進(jìn)過程中，預(yù)報(bào)組的地質(zhì)編錄同時(shí)進(jìn)行，在ZK2 +957—ZK2 +960 段位于掌子面中部的探孔，鉆探記錄:鉆進(jìn)特征為出現(xiàn)3 次卡鉆現(xiàn)象，反水基本為灰白色，偶爾出現(xiàn)伴有黃色的泥水，說明圍巖破碎，溶蝕現(xiàn)象發(fā)育;在ZK2 +960 處出現(xiàn)了跳鉆情況，隨后有成股的黃泥伴少量的水流出;繼續(xù)向前鉆探1m 后，鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度明顯下降，鉆進(jìn)到ZK2 +961．5m 處時(shí)溶腔中的泥質(zhì)充填物已將鉆桿裹緊，不能繼續(xù)鉆探。而后預(yù)報(bào)組又對事先設(shè)計(jì)好的另外兩個(gè)位置進(jìn)行了鉆探，在掌子面前方3—4m 之間都出現(xiàn)了泥水混合物流出。預(yù)報(bào)組據(jù)上述情況分析:前方ZK2+960 處存在溶洞，大體的位置為自掌子面中部至左側(cè)、自隧道起拱線向上均為溶洞區(qū)域，溶洞的具體大小尚不能確定，充填物為泥、水混合物，隧道下方的鉆孔充填物黏度較高，可能為淤積黃泥，推斷為溶洞的底部或腔室的底部。

3．4 依據(jù)預(yù)報(bào)成果確定處理方案

通過綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果分析驗(yàn)證，酉陽1 號隧道左線ZK9 +960 處存在溶洞，其位置為自掌子面中部至左側(cè)、自隧道起拱線向上均為溶洞區(qū)域，溶洞的具體大小尚不能確定，充填物為泥、水混合物，隧道下方的鉆孔充填物黏度較高可能為淤積黃泥，推斷為溶洞的底部或腔室的底部，隧道可能橫穿大型溶洞底部。

依據(jù)以上水文及地質(zhì)條件，建設(shè)單位組織了針對此溶洞的專項(xiàng)處理方案會議，最終采用了多次開挖，緩慢釋放溶洞內(nèi)部充填物的方法，將溶洞中的充填物安全地釋放出來，襯砌背后溶洞采用預(yù)埋排水管、濾水裝置后逐級注漿處理。

3．5 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果分析

(1)TSP 探測距離遠(yuǎn)，對前方異常的構(gòu)造物有著指導(dǎo)性的預(yù)警作用，但僅依靠此結(jié)論還不能準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出前方異常的具體情況，TSP 的結(jié)論還比較模糊，異常的距離上會有一定的偏差，這就要綜合中短期預(yù)報(bào)手段地質(zhì)雷達(dá)探測、超前水平鉆等方法來相互印證、相互補(bǔ)充。

(2)不要盲目解譯物探中出現(xiàn)的異常情況，物探數(shù)據(jù)存在著多解性，圍巖的變化也存在難以預(yù)見性，要結(jié)合現(xiàn)場地層實(shí)際情況，綜合多種方法，最終得出預(yù)報(bào)結(jié)果。

4 結(jié)語

開挖后所見溶洞及充填物與預(yù)報(bào)中的成果相互印證，完全相符，預(yù)報(bào)組就是采用了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法在巖溶發(fā)育地質(zhì)情況復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行了有效準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，即長短預(yù)報(bào)相結(jié)合，物探法、鉆探法相互印證，前后搭接預(yù)報(bào)，為施工贏得了時(shí)間，保障了人員及財(cái)產(chǎn)安全。這為預(yù)報(bào)組在渝東南酉陽地區(qū)的預(yù)報(bào)工作積累了珍貴的經(jīng)驗(yàn)，為我們在巖溶隧道預(yù)報(bào)方面留下了寶貴的資料。

［1］王建秀．腐蝕損傷巖體中的水化——水力損傷及其在隧道工程中的應(yīng)用研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2002．

［2］呂康成，崔凌秋，等．隧道防排水工程［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［3］馬棟，李庚許，張有生．綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)在復(fù)雜巖溶隧道施工中的應(yīng)用［A］． 第四屆全國巖石錨固與注漿學(xué)術(shù)會議論文集［C］．2007．

［4］張先鋒．隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南［M］．北京:人民交通出版社，2013．

［5］鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南( 鐵建設(shè)〔2008〕105 號)［Z］．