超前地質預報技術在斷層破碎帶中的綜合應用

趙守全 朱兆榮

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.青海省凍土與環(huán)境工程重點試驗室，青海 格爾木 816000)

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超前地質預報技術在斷層破碎帶中的綜合應用

趙守全1朱兆榮2

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.青海省凍土與環(huán)境工程重點試驗室，青海 格爾木 816000)

根據(jù)紅土山隧道地質特征，采用TGP206地質超前預報系統(tǒng)、地質雷達預報及鉆探相結合的方法，對巖層破碎帶進行地質超前預報；并對比分析了紅土山隧道斷層破碎帶的預報成果與實際開挖圍巖地質狀況，驗證了超前地質預報結果的準確性，說明超前地質預報在隧道施工中應用的必要性和多種預報手段結合的重要性。

隧道，超前預報，斷層破碎帶，TGP

0 引言

紅土山隧道位于玉樹州結古鎮(zhèn)與隆寶鎮(zhèn)交界處，為單洞雙向行駛隧道，隧道長3 020 m，根據(jù)勘察資料所示，該隧道與多條斷裂破碎帶相交，受斷裂影響，巖體十分破碎，小揉曲、小褶皺十分普遍，穩(wěn)定性很差，地下水類型為裂隙水、孔隙水，且富水性較好，隧道開挖易產生崩塌，在K25+000附近存在F5斷裂，為了保證施工安全，需要綜合多種超前預報手段對該F5斷層的起始位置、寬度、破碎程度、含水量等信息詳細把握。設計資料中F5斷層與設計里程樁號在K24+950～K25+030間相交，但超前預報資料顯示在K24+950～K25+020段圍巖較前方無明顯變化，表明該段尚未進入F5斷層，在K25+020處開始進入到F5斷層，K25+020～K25+080段為斷層破碎帶，設計明顯與實際圍巖情況存在偏差，F(xiàn)5斷層后移，而且寬度較設計也小了20 m，超前預報準確的把握該段的圍巖情況，為施工單位的安全施工提供了強有力的技術支撐。

1 紅土山隧道工程概況

隧址區(qū)地貌類型屬冰緣水流構造侵蝕中高山地貌，地形起伏較大，隧道軸線通過路段地面標高4 280.00 m～4 582.00 m，相對高差約302 m。隧道主要沿山林斜坡穿過，隧址區(qū)地表植被發(fā)育主要為高山草甸。

木模采用木工字梁模板體系。模板整體高度4.65m,每?；炷翝仓叨?.5m。面板為21mm進口芬蘭板；豎向背楞為H20mm木工字梁，設置間距不超過300mm；橫向背楞采用雙14#槽鋼。面板采用φ5mm自攻自鉆螺釘釘在H20mm木工字梁上，H20mm木工字梁采用木梁連接爪和槽鋼背楞相連成整體。木模的優(yōu)點是重量比鋼模輕，則優(yōu)先選用木模。

1)玉樹—甘孜斷裂(F1)：西起烏蘭烏拉湖北，經過治多縣南、隆寶至玉樹進入四川，最后延伸至川藏交界金沙江一線與四川甘孜附近的鮮水溝斷裂相交，青海省境內長約700 km，總體呈北西西—北西展布，傾向東北，傾角40°～83°，目前為逆斷層，北盤(上盤)二疊系上逆于南盤(下盤)三疊系、第三系之上。該斷層遭遇華力西中期生成，使石炭系、二疊系出現(xiàn)南北差異。印支期曾以斷層復活，形成較寬的破碎帶及三角面山，作為北界控制了三疊系的分布。喜山期有強烈活動并至今不息，是一條發(fā)震斷裂。

經過長期的實踐，美國的歷史游徑、歷史公園等從規(guī)劃建設到運營維護，均充分發(fā)揮了公眾參與的優(yōu)勢，一方面增加了建設和維護資金來源，減輕了政府的財政壓力；另一方面通過建立與公眾和企業(yè)的良好合作關系，實現(xiàn)了公共服務設施的長線運營和可持續(xù)發(fā)展，降低了維護的成本和損耗的風險，其中標識系統(tǒng)由于數(shù)量較多、制作簡單和形式多樣，是便于公眾和社會力量介入的載體之一。以韋弗利鎮(zhèn)歷史游徑標識系統(tǒng)為例，政府大力鼓勵居民出資眾籌建設標識，捐助費用可用于包括標識牌內容設計、標識牌制作和安裝等。為更好的促進公眾參與，標識的內容和位置在條件允許的情況下，盡可能滿足認捐人的需求，如署名或廣告推廣等[10]。

該斷裂與設計里程樁號K24+200～K32+600相交；距隧道進口約90 m。斷裂帶的上盤為二疊系的板巖、砂質板巖，受斷裂影響，巖體十分破碎，小揉曲、小褶皺十分普遍，線盤為第三系紫紅色砂巖、泥質砂巖等。斷裂帶內物質主要為斷層泥、斷層角礫，夾灰?guī)r透鏡體。

TGP206隧道地質超前預報探測系統(tǒng)，是采用地震波反射回波方法來探測前方圍巖的變化。

2 TGP超前預報技術工作原理

2)F5斷裂：該斷裂層為逆斷層，呈近南北向走向，傾向西北，傾角約為75°，上下盤均為二疊系板巖，延伸長度約1 500 m，寬約80 m，與隧道相交于K24+950～K25+030范圍內，為安全起見，將范圍向兩側各擴大50 m，即將K24+900～K25+080段設計為Ⅴ級斷層破碎帶，如圖1所示。斷層及其影響破碎帶，圍巖以斷層角礫巖為主，[BQ]值小于250，圍巖埋深較淺，穩(wěn)定性很差，隧道開挖易產生崩塌，開挖時需加強支護，地下水類型為裂隙水、孔隙水，富水性較好。雨季施工地表水沿裂隙入滲在洞壁形成面狀或線狀水流，需加強支護及截排水措施。

1)掌子面開挖至K24+860處超前預報成果：從掌子面開挖至K24+860處的成果圖可以看出(見圖4)，圍巖橫波在K24+870處速度稍微變大，說明圍巖在K24+870后富水程度有一定的增加；在K24+885處開始縱波速度不斷的降低，有多個較嚴重的反射界面，說明前方圍巖不斷變差，施工時一定要注意。K24+860～K24+960段，圍巖從K24+870處明顯變差，富水程度增加，圍巖的縱波波速下將，圍巖特性下降。

3 F5斷層破碎帶預報的實施

拉壓機及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(OM-8650，歐美奧蘭儀器有限公司)、單粒水分測試儀(CTR-800ET，日本Shizuokaseiki)、電熱恒溫鼓風干燥箱(DGG-9070B，上海森信實驗儀器有限公司)、PME型光電自動數(shù)粒儀(上海珊科儀器廠)、電子精密天平、電子數(shù)量卡尺 (0～100mm 分辨率 0.01mm)、鋼板尺。

為了精確把握該段圍巖的實際情況，分別在掌子面開挖至K24+860，K24+956，K25+042時采用TGP超前預報方法對隧道前方圍巖做了超前預報，當掌子面開挖至K25+020時發(fā)現(xiàn)掌子面圍巖進入斷層破碎帶，又采用雷達法對掌子面前方圍巖進行了精確預報，發(fā)現(xiàn)雷達波形非常紊亂，采用超前探水方法發(fā)現(xiàn)前方圍巖含水量大，掌子面描述情況見表1。

表1 紅土山隧道掌子面圍巖情況匯總表

地震波震源采用小藥量炸藥激發(fā)產生，炸藥激發(fā)在隧道邊墻的風鉆孔中，通常24個炮孔布置成一條直線。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一個(如圖2所示),通過逐個引爆激發(fā)孔中的小藥量炸藥獲取地震波震源，地震波以球面波形式向三維空間傳播。傳播過程中地震波遇到彈性波阻抗差異界面時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質繼續(xù)傳播，這種反射波被布置在隧道內的檢波器接收，輸入到儀器中進行信號放大、數(shù)據(jù)采集和處理，反射信號的傳播時間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比，通過測量直達波速度、反射回波的時間、波形和強度，在一定間隔距離內連續(xù)采用上述方法，結合施工地質調查，可以得到隧道圍巖的地質力學參數(shù)，如動彈性模量、動剪切模量和動泊松比參數(shù)等，最終達到預報隧道掌子面前方地質條件的目的，探測原理見圖3。

2)掌子面開挖至K24+956處超前預報成果：從掌子面開挖至K24+956處的成果圖可以看出(見圖5)，圍巖縱波在K24+960～K25+014段速度起伏大，反射界面多，說明圍巖K24+960～K25+014段圍巖為斷層破碎帶，圍巖結構復雜；在K24+960～K25+014段橫波變化界面多，波幅有所增加，說明這段圍巖不富水性有所增加，但程度有限。在K25+014～K25+080后，縱波波速有一定程度的提高，橫波保持穩(wěn)定，說明：在K25+014之后，圍巖巖體特性整體有所提高，富水性弱。

紅土山隧道K24+900～K25+200開挖后，對實際開挖圍巖、設計圍巖情況、超前預報圍巖情況進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)：

4 預報效果分析

3)掌子面開挖至K25+042處超前預報結果：從掌子面開挖至K25+042處的成果圖可以看出(見圖6)，圍巖縱波在K25+042～K25+100段縱波起伏大，反射界面多，說明圍巖K25+042～K25+100段圍巖為斷層破碎帶，圍巖結構復雜；在K25+042～K25+090段橫波變化界面多，波幅有所增加，說明這段圍巖節(jié)理裂隙水較發(fā)育。在K25+100后，縱波波速有小幅度的提高，橫波保持穩(wěn)定，說明：在K25+100之后，圍巖巖體特性整體有所提高，存在少量的節(jié)理裂隙水。

在開挖接近K24+950前，參戰(zhàn)各方對前方圍巖非常重視，但K24+950～K25+020段雖然圍巖較前方變差，但都明顯較好于設計的F5斷層，圍巖開挖至K25+020處明顯進入F5斷層破碎帶。富水程度明顯嚴重，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。

國外對于計算機犯罪在立法上起步比較早。如美國1987年頒布《聯(lián)邦計算機安全處罰條例》，法國1978年在全國范圍內對網絡數(shù)據(jù)信息進行法律保護［2］。在2004年生效的歐洲理事會制定的《關于網絡犯罪的公約》（以下簡稱《公約》）是打擊網絡犯罪尤其是國際網絡犯罪的立法中最有影響力，也相對最為完善的規(guī)范性文件。

在K24+860處的地質超前預報是成功的，但由于K24+860～K25+014段圍巖差，預報僅能對K24+860處掌子面前方圍巖的大致發(fā)展趨勢成功預報，預報的精度相對不夠；在K24+956處的預報并不成功，原因在于：地震波在破碎地層的能量衰減快，穿透能力低，致使K25+020后的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，即干擾數(shù)據(jù)，于是在K25+020處采用雷達法，發(fā)現(xiàn)K25+020前方圍巖的雷達波波幅較大，波形紊亂，局部頻率較寬，說明掌子面前方圍巖較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，含有節(jié)理裂隙水，雷達圖像如圖7所示，結合超前探水法確定K25+000～K25+020段圍巖破碎，存在節(jié)理裂隙水；在K24+042處的超前預報是成功的，開挖情況與預報情況相符，開挖圍巖揭示在K25+080處穿過F5斷層，預報顯示在K25+088處圍巖向好，基本上二者的偏差在土木工程中是可以接受的,具體情況如表2所示。

帕帕國建國之初，大人們對孩子們是否能治理好自己的國家持懷疑態(tài)度，整天憂心忡忡。孩子們的爸爸、媽媽、爺爺、奶奶、外婆、外公……時不時地往帕帕國寄錢、寄營養(yǎng)品、寄食物、寄玩具……生怕孩子們沒錢用、穿不暖、吃不飽、玩不好……大人們寄來的匯款單和包裹多得可以覆蓋住帕帕國100萬平方公里的土地。但所有的東西和錢都被孩子們原封不動地退了回去。他們不想做寄生蟲，他們要用自己的勞動來養(yǎng)活自己，他們需要學會自立。

表2 設計與實際開挖情況對比表

5 結語

TGP隧道超前預報已在隧道超前地質預報中廣泛應用，該方法有明顯的優(yōu)點和缺點，主要總結為以下幾點：

1)TGP隧道超前預報技術具有預報距離長，能探測出前方的圍巖變化、節(jié)理發(fā)育、富水性等地質變化等，這些是其他超前預報手段無法達到的，如探地雷達法、超聲波法、超前鉆孔法等，因而對指導隧道安全施工起著關鍵性作用，在隧道施工中也得到了廣泛的應用。

2)TGP隧道超前預報技術在掌子面前方圍巖較為單一的情況下預報準確率高，但當掌子面前方圍巖復雜，如破碎地層，地震波衰減量大，采集到的有效信息少，預報準確度較低。

3)對地質情況復雜的圍巖，應該在以TGP隧道超前預報技術預報的基礎上，必須采取其他超前預報手段予以輔助，避免一種預報手段的失效或失敗而引起的誤報，應做到多種預報手段結合，提高隧道地質預報的準確度。

[1] 干昆蓉，蔣 肅.對隧道施工地質超前預報工作的反思與探討[J].鐵道工程學報，2007(9)：73-74.

[2] 邱興友，郭新新，胥 杰.TGP206隧道地質超前預報儀在斷層破碎帶探測中的應用[J].工程與建設，2012(6)：95-97.

[3] 何發(fā)亮.隧道施工期地質超前預報若干問題探討[A].第八次全國巖石力學與工程學術大會論文集[C].2004.

[4] 竇 順，韓成海，趙常要.瓦窯坡隧道巖溶地質超前預報綜合技術[J].地下空間與工程學報，2011(7)：103-105.

[5] 楊果林，楊立偉.隧道施工地質超前預報方法與探測技術研究[J].地下空間與工程學報，2006(4)：113-114.

Comprehensive application of advance geology prediction technology in fault fracture zone

Zhao Shouquan1Zhu Zhaorong2

(1.ChinaRailwayNorthwestScienceAcademyCo.,Ltd,Lanzhou730000,China; 2.QinghaiFrozenSoil&EnvironmentEngineeringMajorLaboratory,Golmud816000,China)

According to the geological characteristics of Hongtu Mountain tunnel, adopt TGP206 geological prediction systems, ground penetrating radar method and drilling forecast method to verify the rock crusher zone, contrast Hongtu Mountain tunnel forecasting the outcome of the fault fracture zone with the actual geological conditions of surrounding rock excavation to verify the results of advanced geological prediction accuracy, and proof the importance of the need for geological prediction in tunnel construction applications and a variety of forecasting methods combined.

tunnel, advance prediction, fault fracture zone, TGP

1009-6825(2016)11-0180-04

2016-02-02

趙守全(1981- )，男，工程師； 朱兆榮(1983- )，男，工程師

U452.11

A