高速鐵路隧道地質(zhì)超前預(yù)報現(xiàn)場應(yīng)用

李 鵬 飛

(濟(jì)南力穩(wěn)巖土工程有限公司，山東 濟(jì)南 250061)

1 工程概況

黃家溝隧道位于湖北省襄陽市保康縣及南漳縣境內(nèi)，隧道起訖里程D1K468+230～D2K476+237,全長7 827.279 m(出口洞身存在斷鏈，斷鏈為長179.721 m短鏈，D1K476+020.279=DK476+200)。隧道最大埋深209.4 m。設(shè)計Ⅳ級圍巖6 940 m，占全隧長度的88.7%；Ⅲ級圍巖400 m，Ⅴ級圍巖456.3 m。全隧分為進(jìn)口、橫洞、出口共3個工區(qū)4個作業(yè)面組織施工。

黃家溝隧道地處荊山山脈，屬構(gòu)造侵蝕剝蝕低山地貌區(qū)，隧址區(qū)內(nèi)地勢總體上呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的態(tài)勢，地形復(fù)雜，溝壑交錯，山巒縱橫。主體山勢呈北西—南東向延展，連綿起伏，地形切割較深，峰谷相間。隧道沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越眾多的斷層破碎帶及富水巖體，為有效識別不良地質(zhì)，確保施工安全，需開展超前地質(zhì)預(yù)報工作。

2 超前預(yù)報方法

隧道超前地質(zhì)預(yù)報是保證隧道施工安全、優(yōu)化工程設(shè)計、實(shí)現(xiàn)施工信息化的重要基礎(chǔ)。通過超前地質(zhì)預(yù)報工作，可以進(jìn)一步查清隱伏的重大地質(zhì)問題，是確保施工安全和結(jié)構(gòu)安全的重要手段，也是鐵路隧道施工作業(yè)中關(guān)鍵的重要作業(yè)環(huán)節(jié)，是施工中不可缺少的關(guān)鍵工序，必須作為工序納入施工組織管理。根據(jù)各隧道地質(zhì)分級和超前地質(zhì)預(yù)報方法的適用性，本分部所屬隧道采用以下方法：地質(zhì)調(diào)查法(地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查、掌子面地質(zhì)素描)、超前鉆探法(超前鉆孔、加深炮孔)、物理勘探法(TSP203、地質(zhì)雷達(dá))[1,2]。

2.1 TSP

TSP203方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。TSP每次預(yù)報距離根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況不同，一般為80 m～150 m，需連續(xù)預(yù)報時，前后兩次應(yīng)重疊10 m以上。地震波在設(shè)計的震源點(diǎn)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件處理，便可了解隧道掌子面前方地質(zhì)體的性質(zhì)和位置及規(guī)模[3]。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)

探地雷達(dá)是利用頻率介于106 Hz～109 Hz的電磁波來確定地下介質(zhì)分布的一種地球物理方法。地質(zhì)雷達(dá)在超前地質(zhì)預(yù)報中可用于探測斷層、溶洞和空洞等不良地質(zhì)體，具有無損、低成本和工作效率高等特點(diǎn)。

探地雷達(dá)的基本原理為發(fā)射天線將高頻短脈沖電磁波定向送入地下，電磁波在傳播過程中遇到存在電性差異的地層或目標(biāo)體就會發(fā)生反射和透射，接收天線收到反射波信號并將其數(shù)字化，然后由電腦以反射波波形的形式記錄下來。對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，可根據(jù)反射波的傳播時間、幅度和波形，判斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)及其分布特征[4]。

3 隧道現(xiàn)場應(yīng)用

為驗(yàn)證采用TSP203和地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合的方法進(jìn)場超前地質(zhì)預(yù)報的有效識別，對隧道穿越富水破碎區(qū)域進(jìn)行了一次綜合探測。

3.1 TSP

采用TSP203儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。震源點(diǎn)位于黃家溝隧道出口右側(cè)墻，設(shè)計24炮，實(shí)際采集19炮。探測結(jié)果顯示掌子面前方范圍內(nèi)隧道圍巖以強(qiáng)風(fēng)化頁巖為主，圍巖完整性較差，巖體破碎或較破碎，巖質(zhì)軟弱到較軟弱，節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分區(qū)域含有裂隙水和軟弱夾層，圍巖自穩(wěn)能力較差(探測成果詳細(xì)解釋如表1所示)。

表1 TSP探測成果詳細(xì)解釋表

3.2 地質(zhì)雷達(dá)

本次地質(zhì)雷達(dá)探測采用型號為SIR-3000的美國地質(zhì)雷達(dá)，天線主頻為100 MHz。

探測結(jié)果顯示掌子面前方30 m范圍內(nèi)圍巖主要以強(qiáng)風(fēng)化頁巖為主，巖質(zhì)軟弱～較軟弱，巖體強(qiáng)度較低，圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，局部有裂隙水發(fā)育(成果解釋圖如圖1所示)。

3.3 開挖對比

開挖圍巖描述K475+175～K475+116段基巖為層狀頁巖，差異風(fēng)化明顯，全風(fēng)化厚度較大。地下水主要為基巖空隙裂隙水，水量一般，隧道圍巖為強(qiáng)風(fēng)化頁巖，強(qiáng)度低，自穩(wěn)能力差，強(qiáng)透水性，K475+175～K475+150段開挖圍巖級別為Ⅳ級，K475+150～K475+116段開挖圍巖級別為Ⅴ級。K475+175～K475+150段預(yù)報圍巖級別為Ⅴ級，與開挖圍巖級別有所不同。D1K475+150～K475+116段預(yù)報圍巖級別為Ⅴ級，與開挖圍巖級別基本相同。

4 結(jié)語

本文以鄭萬高速鐵路黃家溝隧道為研究對象，采用TSP203和地質(zhì)雷達(dá)兩種方法對隧道不良地質(zhì)進(jìn)行了超前預(yù)報，預(yù)報結(jié)果和實(shí)際開挖情況符合。超前地質(zhì)預(yù)報可有效識別隧道前方的不良地質(zhì)情況，根據(jù)預(yù)報結(jié)果，有效指導(dǎo)施工，保證施工安全。