綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在壁板坡隧道的應(yīng)用

王　薇，曾　鵬，肖粵秀，楊新安

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.中鐵五局集團(tuán)第四工程有限責(zé)任公司，廣東 韶關(guān)512031）

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在壁板坡隧道的應(yīng)用

王薇1，曾鵬2，肖粵秀1，楊新安1

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.中鐵五局集團(tuán)第四工程有限責(zé)任公司，廣東 韶關(guān)512031）

針對(duì)壁板坡隧道存在多種特殊巖土和不良地質(zhì)，易引發(fā)坍塌、突水、軟巖變形等多種地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際，提出了一種分級(jí)式超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理機(jī)制。綜合采用地質(zhì)調(diào)查法、地震反射法、地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探測(cè)法和超前水平鉆法的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，具有地質(zhì)與物探相結(jié)合、長(zhǎng)短距離相結(jié)合、物性參數(shù)互補(bǔ)的特點(diǎn)，能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)地質(zhì)條件，減少占用工作面時(shí)間，加快施工進(jìn)度。通過(guò)工程實(shí)際說(shuō)明該方法取得較好的預(yù)報(bào)結(jié)果，為該類(lèi)工程問(wèn)題提供了有效的技術(shù)手段。

復(fù)雜地質(zhì)；特長(zhǎng)隧道；超前預(yù)報(bào)；分級(jí)管理；綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

隨著探測(cè)技術(shù)與隧道工程技術(shù)的發(fā)展，采用包括物探在內(nèi)的多種技術(shù)對(duì)隧道掘進(jìn)前方地層與地質(zhì)（特別是斷層、巖溶等高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)）進(jìn)行探測(cè)，成為工程中的普遍做法［1-4］。為克服單一預(yù)報(bào)技術(shù)的局限性，有研究者提出了采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法。張兵強(qiáng)等［5］運(yùn)用TSP（地震反射法）、TRT（反射層析成像法）、超前水平鉆等方法對(duì)米溪梁隧道的圍巖地質(zhì)進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)，有效地預(yù)測(cè)了F4-6斷層破碎帶。馬懷鵬等［6］以地質(zhì)分析為核心，采用地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法長(zhǎng)短距離相結(jié)合、超前水平鉆驗(yàn)證的方法，確定了斷層的影響范圍及走向。周東等［7］基于“洞內(nèi)外相結(jié)合、綜合參數(shù)、長(zhǎng)短結(jié)合、加密探測(cè)”的原則，采用陸地聲吶法、地質(zhì)雷達(dá)法、微分電測(cè)法、TEM（瞬變電磁法）相結(jié)合的方法預(yù)報(bào)了斷層的位置、富水情況和充填物性質(zhì)。

綜合超前預(yù)報(bào)法采用多種預(yù)報(bào)技術(shù)組合，相互補(bǔ)充，相互驗(yàn)證，能夠顯著提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性。但以往工程實(shí)踐中，并沒(méi)有根據(jù)不同的地質(zhì)條件，相應(yīng)地采取不同等級(jí)的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，產(chǎn)生地質(zhì)條件較好的區(qū)段也實(shí)行了多種預(yù)報(bào)方法的情況，造成不必要的資源浪費(fèi)。本文主要介紹壁板坡隧道的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，提出實(shí)行分級(jí)管理的思想，論證地質(zhì)調(diào)查、TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)與超前鉆探相結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的合理性及其預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性。

1　工程概況

壁板坡隧道位于云南與貴州接壤的高原，是滬昆客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)最長(zhǎng)的山嶺隧道，也是全線(xiàn)控制性工程之一。隧道全長(zhǎng)14.756 km，最大埋深735 m，全隧施作平行導(dǎo)坑，長(zhǎng)度為14.717 km。

隧道穿越地層為石炭系下統(tǒng)大塘組（C1d）～三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（T1yn1），巖性以灰?guī)r、白云巖、玄武巖和泥質(zhì)白云巖為主。隧道洞身介于燕子巖-小竹箐背斜與彌勒-富源大斷裂間的單斜斷塊地層中，多次穿越斷層破碎帶，構(gòu)造裂隙發(fā)育。隧址區(qū)巖性屬碳酸鹽類(lèi)，地下水活躍，具有巖溶發(fā)育的條件，且地表局部分布有溶蝕洼地、落水洞、漏斗等巖溶形態(tài)，推斷隧道洞身可能穿越巖溶。此外，隧道洞身可能通過(guò)石炭系大塘組萬(wàn)壽山段含煤地層，存在瓦斯的風(fēng)險(xiǎn)。

壁板坡隧道存在斷層破碎帶、巖溶、煤層瓦斯等多種特殊巖土和不良地質(zhì)，易發(fā)生坍塌、突泥涌水、軟巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害；因此，需要實(shí)施綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)工作面前方的圍巖類(lèi)別并判斷其穩(wěn)定性，為降低施工風(fēng)險(xiǎn)和制定合理的施工方案提供可靠依據(jù)。

2　綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

壁板坡隧道施工中，在分析既有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用洞內(nèi)探測(cè)與洞外地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合、物探方法與鉆探方法相結(jié)合、長(zhǎng)距離與短距離相結(jié)合，開(kāi)展了多層次、多手段的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

1）地質(zhì)調(diào)查法。地質(zhì)調(diào)查法主要通過(guò)地層層序?qū)Ρ?、地層分界線(xiàn)及構(gòu)造線(xiàn)、地下和地表相關(guān)性分析、臨近隧道內(nèi)不良地質(zhì)體的前兆分析等，利用地質(zhì)理論、地質(zhì)作圖等工具，推測(cè)開(kāi)挖工作面前方可能揭示的地質(zhì)情況。該方法只適用于地質(zhì)構(gòu)造不太復(fù)雜的地區(qū)［8］。

2）地震反射法（TSP）。TSP是利用地震波的反射原理，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面時(shí)，一部分信號(hào)反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)；反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收。數(shù)據(jù)通過(guò)TSPwin軟件處理，便可了解隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置及規(guī)模。TSP法適用于極軟巖至極硬巖的任何地質(zhì)情況，對(duì)斷層、軟硬巖接觸面等面狀結(jié)構(gòu)較為敏感，單次預(yù)報(bào)距離一般為100～150 m，屬于長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)方法，預(yù)報(bào)精度一般。

3）地質(zhì)雷達(dá)法（GPR）。地質(zhì)雷達(dá)利用發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到電性（介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率）差異界面時(shí)就會(huì)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，接收天線(xiàn)接收并記錄下電磁波信號(hào)，進(jìn)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，就能推斷前方地質(zhì)情況［9-10］。地質(zhì)雷達(dá)適宜于巖溶、采空區(qū)探測(cè)，對(duì)水的識(shí)別能力較高，探測(cè)距離一般在30 m以?xún)?nèi)，屬于短距離預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)精度較高。

4）紅外探測(cè)法。物體的小連續(xù)性缺陷會(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致物體表面紅外輻射能力發(fā)生差異。紅外探測(cè)法就是利用這種差異，通過(guò)研究紅外輻射異常場(chǎng)的分布規(guī)律，推測(cè)前方隱伏的斷層、溶洞、地下暗河和淤泥帶。紅外探測(cè)法適用于探測(cè)前方是否有水及水體存在方位，但無(wú)法確定具體位置和方位。每次預(yù)報(bào)有效探測(cè)距離為20～30 m，屬短距離預(yù)報(bào)法。

5）超前鉆探法。超前鉆探法是在隧道開(kāi)挖面上，利用水平鉆機(jī)對(duì)前方圍巖進(jìn)行鉆探，根據(jù)鉆進(jìn)的時(shí)間、進(jìn)尺、巖芯和鉆孔回水情況等來(lái)預(yù)測(cè)工作面前方圍巖的位置和性質(zhì)。單次的預(yù)報(bào)距離一般為30～40 m。超前水平鉆法與物探方法相比是一種直接的方法，能夠直觀(guān)地確定開(kāi)挖面前方的圍巖情況［11］。這種方法簡(jiǎn)單可行、快速實(shí)用，但對(duì)施工干擾較大、成本高。

2.2綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系

壁板坡隧道超前預(yù)報(bào)實(shí)行分級(jí)管理，由高到低分為A，B，C，D 4個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高表明地質(zhì)條件越差，需要采用的預(yù)報(bào)方法越多，要求的預(yù)報(bào)精度也越高，其預(yù)報(bào)流程如圖1所示。分級(jí)管理可在滿(mǎn)足地質(zhì)預(yù)報(bào)要求的同時(shí)，減少物探、鉆探等預(yù)報(bào)占用工作面的時(shí)間，節(jié)省人力物力資源，加快施工進(jìn)度。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系中，地質(zhì)調(diào)查法是基礎(chǔ)；TSP法測(cè)距長(zhǎng)、干擾相對(duì)少，但精度不高；地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)可準(zhǔn)確測(cè)定短距離內(nèi)的空洞和水體情況，可補(bǔ)充TSP的不足；超前鉆探可以直接揭示地下水及圍巖物理力學(xué)性能，但干擾大、費(fèi)用高。

圖1　壁板坡隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程圖Fig.1　Flow chart of advance geological forecast in Bibanpo tunnel

3　綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用

針對(duì)不同的地質(zhì)條件和預(yù)報(bào)精度要求，采用不同的預(yù)報(bào)方法的組合，以C級(jí)預(yù)報(bào)和A級(jí)預(yù)報(bào)為例說(shuō)明壁板坡隧道分級(jí)式管理的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系。

3.1C級(jí)預(yù)報(bào)

以9#橫通道正洞左線(xiàn)DK982+756～+896段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為例，說(shuō)明壁板坡隧道的C級(jí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3.1.1地質(zhì)調(diào)查法

根據(jù)地質(zhì)勘探，該段隧道上覆玄武巖夾凝灰質(zhì)粘土巖，下伏茅口組灰?guī)r，埋深約270 m，具有承壓水，可能存在巖溶等不良地質(zhì)，需要采取TSP法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3.1.2TSP法

對(duì)DK982+755～+896段采取TSP法進(jìn)行預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)成果圖見(jiàn)圖2。根據(jù)圖譯，DK982+756～DK982+792段圍巖較破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育；DK982+792～DK982+835段圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，含水，圍巖穩(wěn)定性較差；DK982+835～DK982+861段圍巖較破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育；DK982+861～DK982+896段圍巖較完整～較破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育，整體性較好。

根據(jù)TSP的預(yù)報(bào)，DK982+756～+896段圍巖條件較好，不存在突水突泥的可能性，不需要采用地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)等進(jìn)一步的探測(cè)。

3.1.3實(shí)際揭露

如圖3所示，開(kāi)挖揭示DK982+755～+896段圍巖為弱風(fēng)化灰?guī)r，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)堅(jiān)硬，圍巖無(wú)滲水，自穩(wěn)性較好，與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)一致。

3.2A級(jí)預(yù)報(bào)

以3#橫通道正洞右線(xiàn)YDK979+150～+190處的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為例，說(shuō)明壁板坡隧道的A級(jí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3.2.1地質(zhì)調(diào)查法

根據(jù)地質(zhì)勘探，該段穿越二疊系下統(tǒng)梁上組砂巖、泥頁(yè)巖夾煤層，可能遇到軟質(zhì)巖變形問(wèn)題。工作面YDK979+150位于合分修的分界點(diǎn)，埋深約600 m，工作面巖性以弱風(fēng)化灰?guī)r為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，需要采取物探手段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

圖2　DK982+756～+896段TSP預(yù)報(bào)成果圖Fig.2　TSP prediction result of DK982+756～+896

圖3　DK982+890處掌子面圍巖Fig.3　Rock of tunnel face at DK982+890

3.2.2TSP法

對(duì)YDK979+150～+260段采取TSP法進(jìn)行預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)成果圖見(jiàn)圖4。根據(jù)圖譯，YDK979+150～+182段圍巖破碎、裂隙較發(fā)育、巖溶弱發(fā)育；YDK979+182～+226段圍巖破碎～極破碎、裂隙局部強(qiáng)烈發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，局部夾層，巖溶中等發(fā)育，富水；YDK979+226～+260段圍巖較破碎～破碎，巖溶弱～中等發(fā)育，含水，圍巖穩(wěn)定性較差。

3.2.3地質(zhì)雷達(dá)法

對(duì)YDK979+160～+190段采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，雷達(dá)電磁波反射振幅強(qiáng)烈，頻率低，推測(cè)該段圍巖破碎、裂隙發(fā)育、穩(wěn)定性差，易坍塌或掉塊，與TSP預(yù)報(bào)的結(jié)果一致。

3.2.4紅外探測(cè)法

對(duì)YDK979+150～+190段實(shí)施紅外探測(cè)，紅外探測(cè)曲線(xiàn)圖如圖5所示，紅外輻射長(zhǎng)強(qiáng)值沿隧道走向有上升趨勢(shì)，且工作面上紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)最大差值為6 μW·cm-2，推測(cè)工作面前方圍巖含水。

3.2.5超前水平鉆法

根據(jù)TSP、地質(zhì)雷達(dá)和紅外探測(cè)的預(yù)報(bào)，YDK979+150～+190段圍巖破碎、裂隙發(fā)育、巖溶弱發(fā)育且含水，施工前采用超前水平鉆進(jìn)一步驗(yàn)證，其鉆孔情況如表1所示，該段圍巖巖質(zhì)軟弱，為灰?guī)r，少量滲水。

圖4　YDK979+150～+260段TSP預(yù)報(bào)成果圖Fig.4　TSP prediction result of YDK979+150～+260

圖5　YDK979+150～+190段紅外強(qiáng)度曲線(xiàn)圖Fig.5　Infrared intensity curve of YDK979+150～+190

表1　YDK979+150～+190段超前水平鉆鉆孔情況Tab.1　Advance boreholes situation of YDK979+150～+190

3.2.6實(shí)際揭露

實(shí)際開(kāi)挖時(shí)，發(fā)現(xiàn)YDK979+150～+190段巖性為中～厚層狀灰?guī)r，圍巖較破碎，裂隙較發(fā)育，圍巖含水，與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)一致。在YDK979+194拱頂偏左處揭示一溶洞，見(jiàn)圖6，環(huán)向?qū)捈s3 m，縱向長(zhǎng)約2 m，向上2 m后分為2個(gè)小的溶洞，且有少量水流出，水質(zhì)渾濁。對(duì)該溶洞的出水量進(jìn)行觀(guān)測(cè)，見(jiàn)圖7，出水量隨時(shí)間先增加后減小，直至為0，最大流量為170 m3·d-1。

圖6　YDK979+194處溶洞Fig.6　Karst cave at YDK979+194

圖7　YDK979+194處溶洞出水量Fig.7　Water flow of karst cave at YDK979+194

4　結(jié)論

1）針對(duì)復(fù)雜多變的地質(zhì)情況，壁板坡隧道實(shí)行了以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，結(jié)合TSP法、GPR法、紅外探測(cè)法和超前水平鉆法的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，具有地質(zhì)與物探相結(jié)合、長(zhǎng)短距離相結(jié)合、物性參數(shù)互補(bǔ)的特點(diǎn)。

2）提出隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的分級(jí)管理并在壁板坡隧道進(jìn)行了應(yīng)用，針對(duì)不同的地質(zhì)條件，實(shí)行不同的預(yù)報(bào)方法組合，由D級(jí)到A級(jí)，層層遞進(jìn)。分級(jí)式超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理方法是對(duì)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的改進(jìn)，能夠減少物探和鉆探占用工作面的時(shí)間，節(jié)省人力物力資源，加快施工進(jìn)度。

3）地質(zhì)雷達(dá)及紅外探測(cè)能預(yù)報(bào)富水情況，但僅限于有無(wú)含水體的定性預(yù)報(bào)，缺乏定量的參數(shù)，如位置、方位角、含水量大小等。為彌補(bǔ)該方面的缺陷，可考慮采用瞬變電磁等定量的預(yù)報(bào)技術(shù)。

［1］李為騰，李術(shù)才，薛翊國(guó)，等.地質(zhì)雷達(dá)在膠州灣海底隧道F4-5含水?dāng)鄬映邦A(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2009，39（4）：65-68.

［2］王延壽，謝婉麗，葛瑞華，等.TSP超前預(yù)報(bào)法在秦安高風(fēng)險(xiǎn)隧道中的應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（34）：97-103.

［3］馬若飛.青島膠州灣海底隧道TSP203+超前預(yù)報(bào)應(yīng)用探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015，59（1）：91-95.

［4］劉欽，李術(shù)才，陳翼.紅外探測(cè)技術(shù)在龍?zhí)端淼繤2斷層段超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.工程勘察，2015（4）：95-98.

［5］張兵強(qiáng)，桂剛，韓玉濤，等.米溪梁隧道特殊地質(zhì)環(huán)境下綜合超前預(yù)報(bào)研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（3）：331-336.

［6］馬懷鵬，陳建祥，唐連權(quán).綜合法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在天成山隧道中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2104，11（2）：41-44.

［7］周東，劉宗輝，吳恒，等.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在嶺腳隧道的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52（5）：171-177.

［8］李術(shù)才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（6）：1090-1113.

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［10］耿大新，李洪梅，郭俊，等.地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌常見(jiàn)病害模型實(shí)驗(yàn)研究［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，31（6）：7-12.

［11］張成良，劉磊，王國(guó)華.隧道現(xiàn)場(chǎng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及工程應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2013：102-104.

（責(zé)任編輯劉棉玲）

Application of Comprehensive Advanced Geological Forecast in Bibanpo Tunnel

Wang Wei1，Zeng Peng2，Xiao Yuexiu1，Yang Xin’an1
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.The Fourth Company of China Railway NO.5 Engineering Group Co.，LTD.，Shaoguan 512031，China）

In view of the fact that there are many kinds of special rocks and bad geologies in the Bibanpo tunnel，which can easily cause geological disasters like collapse，water inrush，soft rock deformation，this study proposes a hierarchical management mechanism of geological prediction.The comprehensive advanced geological prediction by combining geological analysis，tunnel seismic prediction，ground penetrating radar，infrared detection with advance boreholes has such characteristics as the integration of geology and physical detection，the combination of long and short distance，and the complementarity of physical parameters，which can forecast the geological conditions accurately，reduce the occupation time and speed up the construction progress.The engineering practices show that the method has achieved good results and provided effective technical means for the same engineering problems.

complex geology；long tunnel；advanced forecast；hierarchical management；comprehensive geological prediction technique

U25

A

1005-0523（2016）04-0018-06

2016-03-17

王薇（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗淼兰暗叵鹿こ獭?/p>

楊新安（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樗淼拦こ?，城市地下工程?/p>