隧道斷層破碎帶綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及塌方防治技術(shù)

段 錚

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 天津 300308)

1 引言

我國(guó)地形條件復(fù)雜，鐵路、公路等工程的建設(shè)中多以隧道工程越嶺。不良地質(zhì)條件如斷層破碎帶的存在，會(huì)大大增加隧道施工難度，增大隧道建設(shè)成本。如果防治措施不當(dāng)，還會(huì)引發(fā)塌方、涌水突泥等災(zāi)害，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。為了準(zhǔn)確地提供斷層特殊地質(zhì)信息，降低隧道開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是十分重要的。

目前的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，但是，由于物探方法存在多解性、不同物探方法的適用性以及測(cè)試數(shù)據(jù)解譯時(shí)由于經(jīng)驗(yàn)造成的主觀差異性等原因，單一方法預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性往往受到一定的限制[1]。目前，越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)利用不同超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)，以期提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。何山等[2]利用TSP、探地雷達(dá)與紅外探水相結(jié)合的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)育王嶺隧道進(jìn)行了預(yù)報(bào)；王洪勇[3]于圓梁山采用了包括TSP202、紅外探測(cè)、探地雷達(dá)等多種方法相互印證的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)，得到了較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。然而，隧道斷層破碎帶的探測(cè)是較為復(fù)雜的，斷層破碎帶存在范圍的不確定性、充填介質(zhì)的復(fù)雜性等對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性提出了較高的要求，所以需要結(jié)合多種方法建立綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系。

在隧道施工過(guò)程中，有的隧道盡管探明了斷層破碎帶的存在，但依然出現(xiàn)了較大的塌方災(zāi)害。因此，在斷層破碎帶的施工過(guò)程中，對(duì)于塌方災(zāi)害的防治非常重要。王臣生[4]通過(guò)分析地質(zhì)條件與開(kāi)挖情況，對(duì)張家園隧道穿越斷層破碎帶的開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)展開(kāi)了研究；柴玉梅等[5]對(duì)隧洞穿越斷層破碎帶的塌方處理與支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)塌方災(zāi)害的防治都達(dá)到了一定的效果。但是目前對(duì)于斷層破碎帶塌方災(zāi)害的防治措施，相關(guān)規(guī)定仍然較為缺乏，處理措施不盡相同，因此有必要進(jìn)行斷層破碎帶塌方災(zāi)害防治技術(shù)的研究。

為了能夠更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)于斷層破碎帶的預(yù)報(bào)，提出行之有效的塌方防治技術(shù)措施，本文以西南山區(qū)某隧道為依托，對(duì)建立準(zhǔn)確性較高的斷層破碎帶綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系與有效的斷層破碎帶塌方災(zāi)害的防治技術(shù)開(kāi)展研究。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系研究

2.1 常規(guī)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

目前，常規(guī)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，主要有地質(zhì)分析法、地震波反射法[6]、探地雷達(dá)法[7]及超前鉆探法[8]等，各方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用條件及預(yù)報(bào)長(zhǎng)度的對(duì)比[9]，如表1所示。

表1 常規(guī)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對(duì)比

2.2 隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系的建立

隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)以“地質(zhì)分析為核心，綜合物探與地質(zhì)分析結(jié)合，長(zhǎng)短預(yù)測(cè)結(jié)合，物性參數(shù)互補(bǔ)”為原則[10]。由表1可知，探地雷達(dá)法、地震波反射法對(duì)于破碎巖體的探測(cè)具有較好的適用性，因此，建立以“以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，地震波反射法與探地雷達(dá)法相結(jié)合并利用超前鉆探進(jìn)行驗(yàn)證”的隧道斷層破碎帶超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系。該方法在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)、短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合的同時(shí)，也在探測(cè)的圍巖物性參數(shù)方面(波阻抗、介電常數(shù)等)實(shí)現(xiàn)了良好的互補(bǔ)配合。

地震波反射法在進(jìn)行破碎帶預(yù)報(bào)時(shí)，判斷的依據(jù)通常為所得到的巖石物性參數(shù)往往具有Vp下降、泊松比增大等特點(diǎn)；探地雷達(dá)在預(yù)報(bào)時(shí)，判斷的依據(jù)通常為雷達(dá)圖像具有離散化的特點(diǎn)、有強(qiáng)振幅反射波的出現(xiàn)。預(yù)報(bào)體系及流程如圖1所示。

圖1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程

3 斷層破碎帶的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)例

3.1 依托工程概況

西南山區(qū)某隧道全長(zhǎng)2 160 m，最大埋深約578 m。隧址區(qū)為中高山深切割構(gòu)造侵蝕地貌。隧道所穿越地層主要為地表覆蓋層、晚元古界(Pt2)晉寧期侵入的巖漿巖。隧址區(qū)位于兩條活動(dòng)斷裂交匯部位，斷裂帶活動(dòng)性強(qiáng)、對(duì)工程場(chǎng)地影響較大。

根據(jù)前期現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪表明，隧址區(qū)內(nèi)有一條穿過(guò)隧道的斷裂隱伏斷層，斷層破碎帶可能對(duì)隧道圍巖完整性產(chǎn)生影響，圍巖強(qiáng)度低，開(kāi)挖中容易出現(xiàn)掉塊、塌方等災(zāi)害。但斷層的具體位置、發(fā)育特征以及與隧道的相交關(guān)系等不明。

3.2 隧道斷層帶綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為了配合隧道施工，準(zhǔn)確探測(cè)斷層所在位置以及發(fā)育特征，采用本文所建立的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系進(jìn)行探測(cè)。首先采用地震波反射法進(jìn)行長(zhǎng)距離地質(zhì)預(yù)報(bào)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好時(shí)，探測(cè)范圍為100～120 m，搭接20 m；當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時(shí)，探測(cè)范圍一般為80～100 m，搭接20 m。當(dāng)接近地震波反射法探測(cè)到的不良地質(zhì)段時(shí)，采用短距離的探地雷達(dá)法進(jìn)行精確預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)距離為15～20 m，搭接5 m，并根據(jù)結(jié)果采用超前鉆探進(jìn)行確認(rèn)。

3.2.1 地震波反射法探測(cè)

檢測(cè)中采用觀測(cè)多波多分量的多道地震波反射法。當(dāng)隧道開(kāi)挖接近前期勘探確定的斷層破碎帶影響范圍時(shí)，通過(guò)長(zhǎng)距離的地震波反射法探測(cè)發(fā)現(xiàn)異常段落。分析后得到的掌子面前方圍巖物性情況，如圖2所示。

圖2 地震波反射法檢測(cè)結(jié)果

探測(cè)結(jié)果顯示，在距離掌子面70～90 m范圍內(nèi)，橫波波速與縱波波速均有所降低，泊松比增大，推測(cè)該段內(nèi)圍巖裂隙增加，破碎程度較高，巖體較軟弱。

3.2.2 探地雷達(dá)法探測(cè)

為了對(duì)地震波反射法中發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)段進(jìn)行精確預(yù)報(bào)，在距不良地質(zhì)段5 m的掌子面，利用SIR3000型探地雷達(dá)搭配100 MHz天線進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)結(jié)果如圖3所示(縱向?yàn)樘綔y(cè)深度，單位:m)。

圖3 探地雷達(dá)解譯成果圖(部分)

從探地雷達(dá)解譯結(jié)果可以看出，在距掌子面前方11～20 m的范圍內(nèi)，整體反射較強(qiáng)，存在數(shù)個(gè)強(qiáng)反射界面，其中以距掌子面11～16 m范圍內(nèi)反射帶最為強(qiáng)烈，雷達(dá)波形部分段落內(nèi)存在同相軸不連續(xù)的情況，具有一定的離散性。因此，推斷在距掌子面11～20 m的范圍內(nèi)，圍巖破碎程度較高，圍巖較軟弱，疑有斷層破碎帶存在。

3.2.3 超前鉆探法探測(cè)

于同一位置采用超前鉆探的方法對(duì)物探結(jié)果展開(kāi)進(jìn)一步的驗(yàn)證。在掌子面處對(duì)稱布置兩個(gè)鉆孔，鉆孔距離地面1.5 m，距離最近側(cè)邊墻3.7 m。鉆進(jìn)開(kāi)始時(shí)，鉆速較快，鉆速均勻，不卡鉆，巖體較為破碎，無(wú)水。當(dāng)鉆進(jìn)至探地雷達(dá)預(yù)報(bào)的強(qiáng)反射帶時(shí)，鉆速不均勻，有鉆機(jī)卡鉆、跳動(dòng)劇烈的情況出現(xiàn)，巖體破碎程度較高，無(wú)水。

3.3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)結(jié)果分析

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果表明，掌子面前方圍巖為裂隙增加的強(qiáng)破碎段落且有強(qiáng)反射界面存在，推斷為勘察報(bào)告中描述的斷層破碎帶位置。

在后續(xù)開(kāi)挖過(guò)程中，在探測(cè)到的不良地質(zhì)段內(nèi)揭露一條斜向的斷層破碎帶。整體來(lái)看，中間為一條斷層泥，泥化帶與斷層上盤(pán)破碎巖體的接觸面有明顯的剪切滑動(dòng)跡象，表面光滑。掌子面斷層帶照片如圖4所示。

圖4 掌子面斷層帶照片

本文中所建立的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系的預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際開(kāi)挖情況吻合程度較好，預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確度較高。

3.4 隧道斷層帶施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)掌子面開(kāi)挖結(jié)果和地質(zhì)素描可知，斷層上盤(pán)主要為灰綠色的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、閃長(zhǎng)花崗巖，在強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用下巖體極為破碎，較軟；斷層下盤(pán)主要為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和長(zhǎng)石石英巖，巖體破碎，易裂解，強(qiáng)度較低；中間的斷層泥化帶巖體極為破碎，泥化嚴(yán)重，斷層面產(chǎn)狀為250°∠54°。判定該處圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，掌子面開(kāi)挖后在重力作用下發(fā)生塌方災(zāi)害的可能性較大，施工風(fēng)險(xiǎn)極大，因此非常有必要采取針對(duì)性的塌方防治措施。

4 隧道斷層破碎帶塌方風(fēng)險(xiǎn)防治技術(shù)措施

對(duì)于隧道斷層破碎帶，采用針對(duì)性的防治技術(shù)措施，可以有效降低發(fā)生塌方災(zāi)害的可能性及帶來(lái)的損失。

通過(guò)參考類似工程的塌方災(zāi)害防治技術(shù)措施[11-14]與《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》[15]、《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[16]、《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》[17]、《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]等規(guī)范，結(jié)合該隧道實(shí)際情況，建議從“縮短進(jìn)尺、加強(qiáng)超前支護(hù)與襯砌、增加監(jiān)控量測(cè)頻次”等角度采取以下的防治技術(shù)及措施。

(1)拱部采用密排注漿小導(dǎo)管的超前支護(hù)手段，有效控制拱頂坍塌。

(2)采用三臺(tái)階工法開(kāi)挖，縮小單次鉆爆進(jìn)尺長(zhǎng)度，單次進(jìn)尺建議不大于一榀鋼架間距，控制炸藥用量，防止破碎巖體受到震動(dòng)發(fā)生大面積塌方。

(3)初噴后及時(shí)架設(shè)鋼支撐，并縮短鋼架間距，及時(shí)施作初期支護(hù)。

(4)由于斷層帶巖石松散破碎，初期支護(hù)完成后可能存在局部背后脫空現(xiàn)象，因此需加強(qiáng)檢測(cè)并采用回填或注漿等方式填補(bǔ)空洞和封堵裂隙。

(5)及時(shí)施作仰拱封閉，二次襯砌采用鋼筋混凝土。

(6)加密監(jiān)控量測(cè)斷面布置，增加量測(cè)頻次，根據(jù)量測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整支護(hù)措施。

在綜合采用上述技術(shù)措施后，隧道安全通過(guò)該斷層破碎帶，因此，上述防治措施對(duì)塌方災(zāi)害的防治起到了良好的預(yù)防效果。

5 結(jié)論

(1)從長(zhǎng)、短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合的角度，建立了“以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，地震波反射法與探地雷達(dá)法相結(jié)合并利用超前鉆探進(jìn)行驗(yàn)證”的斷層破碎帶綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系及方法流程。

(2)采用建立的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系對(duì)依托工程隧道斷層破碎帶進(jìn)行了預(yù)報(bào)。根據(jù)地震波反射法圍巖Vp下降的特點(diǎn)推測(cè)掌子面前方存在有破碎帶；利用探地雷達(dá)法探測(cè)到的雷達(dá)圖像中出現(xiàn)的數(shù)個(gè)強(qiáng)反射界面與離散化的特點(diǎn)推測(cè)掌子面前方存在有斷層破碎帶；最后通過(guò)超前鉆探進(jìn)行確認(rèn)。開(kāi)挖結(jié)果驗(yàn)證了本體系對(duì)斷層破碎帶預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

(3)結(jié)合國(guó)內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)規(guī)范，從“縮短進(jìn)尺、加強(qiáng)超前支護(hù)與襯砌、增加監(jiān)控量測(cè)頻次”等角度提出了相應(yīng)的塌方防治技術(shù)措施，保障了依托工程隧道施工安全。