隧道綜合地質(zhì)超前預(yù)報在某高風(fēng)險隧道中的應(yīng)用

王少光

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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隧道綜合地質(zhì)超前預(yù)報在某高風(fēng)險隧道中的應(yīng)用

王少光

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

以滬昆線長城嶺隧道為例，采用地質(zhì)分析、TSP 探測、紅外探測、工作面編錄、超前鉆探相結(jié)合的綜合預(yù)報方法對含水?dāng)鄬拥囟芜M(jìn)行探測預(yù)報，預(yù)報結(jié)果與實際開挖情況吻合，預(yù)報精度滿足施工要求，預(yù)報結(jié)果驗證了綜合預(yù)報方法的準(zhǔn)確性與可行性。

綜合地質(zhì)超前預(yù)報 高風(fēng)險隧道 紅外探測

我國西南地區(qū)為多山地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造運動、斷裂帶發(fā)育，地下水豐富，隧道開挖過程中坍塌、冒頂、巖溶、涌水等地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生。因此，隧道超前預(yù)報工作就顯得極為重要。

關(guān)于隧道超前預(yù)報方法，劉志剛等人做了大量的研究，目前隧道施工中常用的預(yù)報方法主要有地質(zhì)分析、TSP、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)、超前水平鉆等方法[1-5]。采用單一預(yù)報方法往往不能滿足施工要求，而不同預(yù)報方法的適用性有限，如何有效提高預(yù)報的精度，規(guī)避施工風(fēng)險尤為重要。以長城嶺隧道為例，采用多種預(yù)報方法相結(jié)合的綜合預(yù)報手段對隧道含水?dāng)鄬舆M(jìn)行預(yù)報，對類似工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

長城嶺隧道位于湖南省懷化市溆浦縣小橫壟鄉(xiāng)至湖南省中方縣蒿吉坪鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道起訖里程為：DK280+193～DK287+747，全長7 555 m，最大埋深約為513 m。隧道穿越區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，有多條斷裂穿過，地下水發(fā)育，屬于二級風(fēng)險隧道。

2 隧道地質(zhì)條件

長城嶺隧道地質(zhì)條件較差，構(gòu)造復(fù)雜，地下水發(fā)育，進(jìn)口端強風(fēng)化層厚度較大，洞身巖性變化較大，且有5條斷層穿越隧道，出口端為較軟巖。

隧道進(jìn)口端為地表殘坡積層含碎石粉質(zhì)黏土，下伏為震旦系下統(tǒng)洪江組砂質(zhì)板巖，強風(fēng)化層厚度較大；洞身巖性巖相變化較大，主要為：寒武系下統(tǒng)荷塘組砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖，震旦系上統(tǒng)燈影組硅質(zhì)板巖，震旦系下統(tǒng)江口組砂質(zhì)板巖；出口端為震旦系下統(tǒng)江口組砂質(zhì)板巖。受小橫壟—槐子沖變形區(qū)的影響，隧址區(qū)東部發(fā)育有九溪江—三岔溪變形亞區(qū)(為一復(fù)式背斜)及其次級褶皺，向西地層則呈單斜構(gòu)造。

隧道區(qū)地下水主要賦存于震旦系、寒武系基巖裂隙中，受大氣降雨和第四系松散巖類孔隙水下滲補給，水量隨季節(jié)性變化明顯；隧道區(qū)斷層平面延伸較長，切割錯動地層，為良好的地下水導(dǎo)水帶和富水帶，長期接受大氣降水和地下水的下滲補給，含水量較豐富。

3 綜合超前預(yù)報技術(shù)

綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法包括：隧道區(qū)域地質(zhì)分析及隧道不良地質(zhì)分析、隧道不良地質(zhì)長期超前預(yù)報、隧道不良地質(zhì)短期超前預(yù)報、隧道不良地質(zhì)超前鉆探、隧道施工地質(zhì)災(zāi)害評估及臨近警報[1]，對長城嶺隧道進(jìn)行綜合超前預(yù)報著重從以上幾個方面進(jìn)行。

3.1 隧道地質(zhì)分析

隧道地質(zhì)分析主要通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪、地質(zhì)鉆探、物探等手段進(jìn)行，對隧道進(jìn)行整體評估，確定不良地質(zhì)的類型、走向位置及可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，并提出合理的措施和建議，為后續(xù)預(yù)報工作的開展提供依據(jù)[6]。

根據(jù)區(qū)域調(diào)繪成果及鉆孔資料推斷：長城嶺隧道DK284+920～DK285+060段內(nèi)存在區(qū)域性斷裂構(gòu)造，斷裂影響破碎帶內(nèi)及其附近節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，含水量較豐富，斷層通過區(qū)在地表為深切溝谷和高陡懸崖地貌。溝谷內(nèi)溪水流量較大，地表水與地下水聯(lián)系密切。

采用無源大地電磁法對隧道全線進(jìn)行物探勘察，查明隧道洞身范圍內(nèi)的巖性、構(gòu)造、地下水及其它不良地質(zhì)情況。沿線位布置一條物探測線，測線長度7 475 m，物探成果顯示DK284+800～DK285+100為物探異常段落，推測可能為斷層及破碎帶，應(yīng)注意突水、突泥等災(zāi)害(見圖1)。

圖1 物探大地電磁成果

物探方法解決的是地質(zhì)問題，需要與地質(zhì)分析方法相結(jié)合，掌握地質(zhì)現(xiàn)象的規(guī)律，了解區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分布范圍、走向及產(chǎn)狀特征，物探結(jié)果的解譯才能合理、可靠[7]。

通過地質(zhì)調(diào)繪、地質(zhì)鉆探、物探手段綜合分析：DK284+920～DK285+060圍巖為Ⅴ級，巖性為砂質(zhì)板巖夾硅質(zhì)板巖，段落范圍內(nèi)可能存在較大的不良地質(zhì)構(gòu)造。受構(gòu)造影響，該段落內(nèi)巖體破碎，并根據(jù)地貌判定該構(gòu)造與地表溝谷可能存在聯(lián)系，施工中易發(fā)生塌方及突水突泥等重大不良地質(zhì)問題，需加強預(yù)報工作并應(yīng)在施工過程中加強排水措施，為后續(xù)擬開展的地質(zhì)預(yù)報工作及隧道開挖提供依據(jù)。

3.2 長期預(yù)報成果解譯

長期超前地質(zhì)預(yù)報的預(yù)報距離為工作面前方100～150 m，主要的預(yù)報方法有TSP、TGP、斷層參數(shù)預(yù)測法、地面地質(zhì)體投射法等[8]。國內(nèi)目前多采用TSP法作為長期預(yù)報的主要手段。

TSP是利用人工激發(fā)的地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧道開挖面前方地質(zhì)情況的一種方法，適用于劃分地層界線，查找地質(zhì)構(gòu)造，探測不良地質(zhì)體的厚度及范圍。長城嶺隧道采用TSP203plus進(jìn)行長期預(yù)報(見圖2)。接收器位置在DK284+835，工作面位置為DK284+870，設(shè)計為24炮，實際激發(fā)20炮，數(shù)據(jù)采集記錄20炮合格。數(shù)據(jù)采集時采用X-Y-Z三分量接收，采樣間隔62.5 μs，記錄長度451.125 ms(7218采樣數(shù))。

圖2 設(shè)備埋置示意

圖3 TSP物理力學(xué)參數(shù)

由TSP物理力學(xué)參數(shù)(見圖3)，可見DK284+968、DK284+990處Vp/Vs增加，泊松比μ突然增大，表明有充水地質(zhì)體存在。由二維推斷分析圖(圖4)可見(圖中三角反射界面代表P波反射，方塊、圓盤反射界面代表SV、SH波反射)，在DK284+975～DK284+985反射界面Vp減小，推斷巖體破碎。在DK284+887～DK284+922、DK284+965～DK285+033段顯示均為S波反射，P波反射在反射層篩選中被篩選掉，說明S波反射比P波強，判定此段地下水發(fā)育。

圖4 TSP二維推斷分析

3.3 短期預(yù)報成果解譯

短期超前地質(zhì)預(yù)報的預(yù)報距離一般為工作面前方15～30 m，主要的預(yù)報方法有地質(zhì)雷達(dá)探測、紅外線和聲波探測法、工作面編錄預(yù)測法(地質(zhì)素描法)。在長期預(yù)報的基礎(chǔ)上，采用紅外探測法及地質(zhì)素描預(yù)測法進(jìn)行短期預(yù)報。

(1)紅外探測

干燥無水的地層和含水層常常發(fā)射不同的紅外輻射，地下水的活動會引起巖體紅外輻射場強的變化。紅外探水儀通過接收巖體的紅外輻射強度，根據(jù)圍巖紅外場強的變化來預(yù)報工作面前方或洞壁四周是否隱含水體[9]。結(jié)合TSP結(jié)果對DK284+940工作面及DK284+965工作面進(jìn)行探測，對工作面前方30 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報。預(yù)報成果如表1和表2所示。

表1 DK284+940工作面紅外探水成果 μW/cm2

表2 DK284+965工作面紅外探水成果 μW/cm2

DK284+940：由工作面上20個測點的數(shù)值可知其最大值為279 μW/cm2，最小值為267 μW/cm2，差值為12 μW/cm2，大于預(yù)設(shè)安全值10 μW/cm2；場強低值主要分布在工作面左側(cè)，推斷工作面前方為普遍滴水、滲水或線狀出水，左側(cè)可能存在股狀出水。

DK284+965：由工作面上20個測點的數(shù)值可知其最大值為264 μW/cm2，最小值為250 μW/cm2，差值為14 μW/cm2，大于預(yù)設(shè)安全值10 μW/cm2；場強值較DK284+965工作面普遍偏低，推測該工作面距不良含水體的距離較上段更近，即工作面前方很可能存在不良含水構(gòu)造；場強低值主要分布在工作面中央拱頂?shù)阶髠?cè)坡腳處，推斷工作面前方普遍滴水，隧道左側(cè)可能滲水或股狀涌水，局部可能發(fā)生突水。

紅外探水方法測量快速，對施工干擾小，有較高的定性判別準(zhǔn)確率，但無法預(yù)報水量和含水體具體位置等定量指標(biāo)。

(2)地質(zhì)素描預(yù)測法

地質(zhì)素描預(yù)測法利用隧道工作面和側(cè)壁圍巖地層層序的對比、地質(zhì)界線在地下和地表的相關(guān)性分析、地質(zhì)隱患在隧道內(nèi)的出露位置等，推測開挖工作面前方可能揭示到的地質(zhì)情況[10]。

對長城嶺隧道工作面284+960.6進(jìn)行地質(zhì)素描。工作面為炭質(zhì)板巖，弱風(fēng)化，灰黑色，薄層，屬較軟巖，巖體較破碎—破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀：N42°E/49°S。測得兩組明顯節(jié)理。J1:N42°W/49°N，寬張型，延伸性差，局部充填石英巖脈，節(jié)理間距約5～10 cm。J2：N49°E/51°N，微張、張開型，延伸性一般，地下水發(fā)育，主要表現(xiàn)為滴水、線狀出水，工作面頂部出現(xiàn)股狀水。

根據(jù)工作面素描結(jié)果結(jié)合隧道剖面圖推斷，工作面前方圍巖巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，含水，前方可能存在含水構(gòu)造。

3.4 超前水平鉆成果

超前地質(zhì)鉆探法是在隧道開挖工作面或其側(cè)洞開挖前進(jìn)方向施打超前地質(zhì)鉆孔，以探明開挖工作面前方地質(zhì)條件的方法。通過鉆探?jīng)_擊器的響聲、鉆速及其變化，巖粉、卡鉆情況、鉆桿震動情況、沖洗液的顏色及流量變化等，粗略探明地層巖性、巖石強度、巖體完整程度、溶洞及地下水發(fā)育情況等。

對長城嶺隧道工作面DK284+942前方施打超前水平鉆探孔，鉆孔孔深為36 m，鉆孔位置如圖5所示。

圖5 鉆孔布置示意

實際鉆進(jìn)過程中，0～12 m段鉆進(jìn)困難，有卡鉆現(xiàn)象，沖洗液呈灰色，夾雜白色顆粒；12～36 m有輕微卡鉆，圍巖較硬?？變?nèi)連續(xù)滲水，終孔水量約20 m3/h，水量逐漸增大。

超前水平鉆探成果揭示前方存在含水體，但具體位置尚無法判定，水量逐漸增大表明含水體具有連通性，可能與其他含水構(gòu)造或地表相聯(lián)通。

4 施工開挖情況驗證

開挖過程中，DK284+965～DK284+985巖體破碎，節(jié)理雜亂無序，以密閉—微張裂隙為主，局部呈寬張型，判斷為斷層破碎帶及其影響帶。在工作面DK284+970左側(cè)底部及中部附近兩處位置發(fā)生涌水，實際出水量約20 000 m3/d，涌水持續(xù)時間較長，水質(zhì)渾濁后變清；DK284+973，DK284+983，左側(cè)分別發(fā)育兩條0.5 m及1 m的裂隙，被混凝土充填；DK284+974、DK284+979發(fā)育股狀水，水量分別為480 m3/d、370 m3/d。受F4斷層構(gòu)造影響，在DK284+970附近發(fā)生突水。F4斷層為區(qū)域性非活動逆斷層，走向NE35°，延伸長度15 km，產(chǎn)狀290°∠55°，破碎帶寬度15～25 m，延伸長，地下水補給范圍廣，水量較大?？傮w來看，采用多種方法相結(jié)合的綜合預(yù)報成果與實際開挖情況吻合度較高。

5 結(jié)論

采用多種預(yù)報方法相結(jié)合對長城嶺隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，可得到以下結(jié)論：

(1)隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對于隧道施工安全、施工質(zhì)量和進(jìn)度極為重要。受各種條件的限制，不同的隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法各有優(yōu)缺點，在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上采用長短結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法可以有效提高預(yù)報的精度。

(2)對長城嶺隧道采用了“地貌、地質(zhì)分析與宏觀預(yù)報相結(jié)合，TSP探測與工作面編錄、超前鉆探相結(jié)合”的綜合預(yù)報方法，預(yù)報結(jié)果與施工情況基本相符，預(yù)報精度可以滿足施工要求，預(yù)報結(jié)果驗證了綜合預(yù)報方法的準(zhǔn)確性與可行性，對類似工程具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

(3)紅外探水能定性判斷出工作面前方有水或者無水，對存在水體的水量、里程等無法準(zhǔn)確探測。對隧道涌水水量可借助超前鉆進(jìn)行輔助預(yù)報，但受結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、發(fā)育情況、連通性、充填情況等因素影響，準(zhǔn)確率較低。如何快速準(zhǔn)確預(yù)報隧道構(gòu)造涌水，還有待進(jìn)一步研究解決。

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Application of Comprehensive Geological Prediction in High Risk Tunnel

WANG Shaoguang

2016-09-21

王少光(1982—)，男，2009年畢業(yè)于四川大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0042-04

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