鐵路隧道斷層破碎帶超前地質綜合預報應用
——以浦梅鐵路蓮花山隧道F14斷層預報為例

張 龍

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251)

在鐵路勘察中，查明沿線的工程地質條件是工程設計的基礎性工作[1]。但地質條件所涉及的天然巖土體與結構工程研究的鋼筋混凝土不同，是億萬年自然歷史的產(chǎn)物，隨環(huán)境、氣候等形成條件的不同而具有不均勻性、不確定性、復雜性[2]。隧道工程作為地下工程，在勘察設計階段，受勘察技術水平及勘察精度的影響，完全查明其工程地質條件存在較大困難。因此，在施工階段開展超前地質預報工作，對隧道開挖工作面前方的工程地質條件及不良地質體進行探測，為預防隧洞涌水、突泥、圍巖失穩(wěn)等可能形成的災害性事故提供預警，成為隧道安全施工及快速掘進的重要技術保障。目前，超前地質預報已作為鐵路隧道施工的必要工序納入鐵路總公司質量安全紅線管理[3-4]。

超前地質預報工作也日益受到設計單位、施工單位、高等院校及科研院所等各方人員的重視。李金介紹了TRT技術在濟青高鐵青陽隧道超前地質預報中的應用，認為該方法在硬質巖條件下預報效果較好[5]；朱自強等在不良地質體數(shù)值模型的基礎上進行了地質雷達超前地質預報的正演模擬研究[6]；蘇濤等探討了地質雷達在公路隧道巖溶洞穴超前地質預報中的應用[7]；薛翊國等介紹了TSP203在巖溶隧道探測中的應用[8]；李術才等在多年超前地質預報研究工作基礎上，針對TSP超前地質預報地震波反射特性，總結了斷層破碎帶、溶洞等不良地質體在TSP探測中判釋準則[10]；劉新榮等利用TSP等手段對公路隧道高壓富水區(qū)的超前地質預報應用進行了研究[11-12]。以上研究均取得了一定的研究成果，但在一定程度上忽視了地質條件的復雜性，且測試手段較為單一，造成了預測結果不夠準確。

斷層或斷層破碎帶作為地質上的不連續(xù)體，是隧道施工過程中最常遇見的地質構造之一，會不同程度地破壞巖體的完整性和連續(xù)性，降低圍巖強度。研究表明，塌方、突水和涌泥等洞內地質災害多與斷層及其破碎帶有關[13]。以浦梅鐵路蓮花山隧道F14斷層預報為例，對大型斷層破碎帶超前地質綜合預報應用進行深入研究。

1 超前地質綜合預報工作體系

主要遵循以現(xiàn)有地質資料分析及地質調查為基礎，長短距離物探方法為手段，超前地質鉆探+加深炮孔驗證，對多手段預報方法結果進行綜合分析，進而得出預報結論的工作體系[14]。

采用的主要方法有以下幾類。

(1)地質調查法

主要為隧道地表補充地質調查，洞內掌子面地質素描。

(2)物探法

主要為地震波反射法(TSP)、地質雷達探測(GRP)等。

(3)超前鉆探法

主要包括超前地質鉆探、加深炮孔探測。

2 工程概況及方案設計

2.1 工程概況

蓮花山隧道是浦梅鐵路的控制性工程，位于福建省建寧縣均口鎮(zhèn)與寧化水茜鄉(xiāng)交界處，隧道呈北北東方向展布。該隧道穿越武夷山脈低山丘陵區(qū)，全長10.5 km，為單洞單線隧道，最大埋深380 m，設計速度為160 km/h。作為單線隧道，其施工作業(yè)面狹窄，一旦發(fā)生洞內地質災害，工期制約因素明顯。

2.2 工程地質條件

(1)地層巖性

依據(jù)勘察階段大地電磁(EH-4)物探成果(如圖1所示)及地質勘察資料[15]，在DK268+925～DK268+975段洞身范圍內圍巖電阻率變化劇烈，推斷該處存在斷層破碎帶(記為F14)，屬蓮花山隧道的極高風險段落。

圖1 大地電磁顯示斷層情況

本段地表以下至隧道洞身范圍內地層巖性(如圖2所示)主要為第四系更新統(tǒng)殘坡積粉質黏土、志留系侵入花崗巖(全-弱風化)，隧道埋深190～250 m，地下水位埋深25～30 m，洞身附近水頭高度為160～220 m。設計圍巖分段：DK269+000～DK269+025為Ⅲ級、DK268+925～DK269+000為Ⅳ級、DK269+725～DK268+925為Ⅱ級。

圖2 設計資料斷層附近地層情況

根據(jù)本線隧道超前預報實施細則，為準確預報該斷層特征、圍巖情況，選擇DK268+725～DK269+025段(共300 m)進行超前地質綜合預報。

(2)水文地質條件

地表以下至隧道洞身范圍內地下水主要為構造裂隙水、基巖裂隙水，水源補給的主要來源為大氣降雨入滲?；鶐r裂隙水主要賦存于花崗巖的強、弱風化層節(jié)理裂隙帶中，此類地下水的分布隨巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育程度的不同而異，賦水性也極不均勻，且受大氣降水入滲補給影響，動態(tài)變幅隨季節(jié)變化較明顯。構造裂隙水主要分布于斷裂破碎帶內，斷裂帶及其影響帶一般節(jié)理裂隙較發(fā)育，有利于大氣降水沿節(jié)理裂隙滲透。

2.3 超前預報方案

根據(jù)設計階段地質勘察資料，除F14斷層外， DK268+725～DK269+025段地質條件較簡單，其圍巖分級見表1。超前地質預報方案需視現(xiàn)場圍巖地質條件的變化而進行動態(tài)設計。

表1 超前預報方案設計

3 超前地質綜合預報應用及效果分析

3.1 DK268+900～DK269+025段

(1)超前地質預報情況

TSP探測及地質調查顯示，DK 268+900～DK 269+030范圍測試情況如圖3所示。

圖3 波速、泊松比、模量、縱視圖測試情況

由圖3可知，該段縱波波速較高，波速為5224～5875m/s，泊松比呈緩慢變化，為0.15～0.27，縱視圖情況與波速情況基本一致。因此，可認為該段圍巖巖質較硬，巖體較完整，局部裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較好。

DK268+925～DK269+000段雷達測試結果如圖4所示，未見明顯異常。

圖4 DK269+000～DK268+925段雷達測試示例(單位：m)

(2)開挖揭示情況

根據(jù)DK268+900～DK269+025段的隧道開挖情況，如圖5所示，顯示隧道圍巖為肉紅色夾青灰色弱風化花崗巖，掌子面有滲滴水，無其他明顯異常，故認為該處圍巖基本能達到Ⅲ級。

圖5 DK268+940掌子面開挖圍巖地質情況

3.2 DK268+725～DK268+900段

(1) 超前地質預報情況

基于前一段無明顯異常，在開挖至DK268+910掌子面時，按原設計開展了DK268+910～DK268+791段TSP測試工作。測試情況如圖6所示。

圖6 波速、泊松比、模量、縱視圖測試情況

由圖6可知，該段圍巖縱波波速較高，波速為5 029～5 680 m/s、泊松比、楊氏模量整體平穩(wěn)，泊松比為0.12～0.2，楊氏模量為72～80 GPa；縱視圖情況與波速等情況基本一致，推測圍巖整體情況較好。

如圖6所示，兩處豎線間(DK268+822～DK268+807段)較前后巖體橫波波速下降幅度較大(由3 320 m/s降至3 140 m/s)，泊松比顯著增大(由0.2升至0.28)，推測該段圍巖含水量大幅上升。

針對異常情況，根據(jù)超前地質綜合預報動態(tài)設計理念，對DK268+825段采用地質雷達探測，同時為提高準確性，增加了TSP測試疊加長度， TSP測試結果如圖7所示。

圖7 波速、泊松比、模量、縱視圖測試情況

由圖7可知，該段縱波波速在DK268+800～820段較低，波速為3 436～3 922 m/s；橫波波速在DK268+800～820段及DK268+758～782段較低，波速分別為2 386～2 477 m/s、2 492～2 516 m/s；泊松比在該段均處于較高值，為0.2～0.3；縱視圖顯示，圍巖整體波速偏低，反射界面較多，與波速等情況基本一致。經(jīng)初步分析，DK268+780～820段可能為斷層破碎帶，DK268+760～780段為斷層影響帶，DK268+760掌子面以前巖體較完整。

由圖8可知，雷達測試反射界面密集，同相軸連續(xù)性差，且偏移或錯斷較多，低頻反射能量較強。推斷該處圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，穩(wěn)定性差，易掉塊，易塌方，地下水發(fā)育。

圖8 DK268+825～805段雷達測試示例

根據(jù)以上物探測試結果，認為有必要實施超前地質鉆探取芯，以驗證前方圍巖地質情況。故在掌子面設計水平鉆，分別位于DK268+825掌子面中線右1.5 m、左1.0 m，DK268+830.6右邊墻，分布情況如圖9所示。

圖9 水平鉆情況示意(單位：m)

①水平鉆一：鉆探孔深18 m，根據(jù)取芯結果，0～2.6 m巖芯較破碎，2.6～6 m見斷層泥夾層，6～18 m巖芯破碎，因鉆機功率原因，斷層破碎帶未鉆穿，如圖10所示。

圖10 水平鉆一取芯情況

②水平鉆二：取芯22 m，揭示0～6 m巖芯較破碎，6～9 m見泥質夾層，9～22 m巖芯破碎，破碎帶未鉆穿。

③水平鉆三：取芯19 m，揭示0～2.4 m巖芯較破碎，2.4～6 m見泥質夾層，6～18 m巖芯破碎，18～19 m巖芯較完整。

對以上物探測試、超前水平鉆資料進行綜合分析，認為DK268+780～825段處于F14斷層破碎帶，DK268+760～780段受斷層影響，節(jié)理裂隙帶較發(fā)育，DK268+760以前圍巖巖體較完整。因此，建議 DK268+780～825段按Ⅴ級圍巖考慮，DK268+760～780段按Ⅳ級圍巖考慮，DK268+760以前一定范圍按Ⅲ級圍巖考慮。

(2)開挖情況

根據(jù)DK268+825～900段開挖情況，揭示隧道該段圍巖巖體完整，掌子面為青灰色夾肉紅色弱風化花崗巖，掌子面有滲滴水，未見其他異常情況。

根據(jù)隧道DK268+775～825段開挖情況，開挖至DK268+822時，隧道掌子面發(fā)生涌水，水流呈股狀涌出，最高出水量達921 m3/h，經(jīng)過抽排水后，穩(wěn)定出水量為100 m3/h左右。分析表明，斷層破碎帶儲存的大量構造裂隙水釋放完后，基巖裂隙水水量較穩(wěn)定，即基巖裂隙水水量約為100 m3/h。

開挖揭示，DK268+775～825段(如圖11、圖12)掌子面呈黃褐色-棕紅色，全-強風化，部分段落夾泥質充填，節(jié)理裂隙發(fā)育，隧道洞身范圍處于斷層破碎帶，這與超前地質預報結論基本相符。根據(jù)圍巖情況及綜合預報結果確定圍巖級別：DK268+775～825段為Ⅴ級，DK268+760～775段變更為Ⅳ級，DK268+725～760段按原設計。最終采用超前注漿及管棚支護等措施順利通過該斷層破碎帶。

圖12 DK268+795掌子面及右邊墻開挖圍巖情況

根據(jù)DK268+725～775段開挖情況，揭示隧道該段圍巖巖體較完整，掌子面為青灰色夾肉紅色弱風化花崗巖，掌子面有線狀滴水-滲滴水，僅在DK268+760～775段節(jié)理相對發(fā)育，其他段基本無異常，最終按原設計順利通過。

3.3 小結

上述情況表明，DK268+775～825段F14斷層屬典型的大型斷層破碎帶，具有寬度大、節(jié)理裂隙發(fā)育、地下水豐富等特征。斷層破碎帶作為不規(guī)則、不連續(xù)的地質體，在地表有露頭時容易識別，但隱伏型斷層在地下時很難識別。在勘察階段，主要依據(jù)鉆探、物探(如大地電磁)等手段來進行探測，但鉆探受限于孔位，一孔之見，難窺全貌；物探受隧道埋深，斷層與隧道的空間位置關系，多解性等限制，很難確定斷層破碎帶的準確位置。通過地質調查、物探遠距離探測、超前鉆探近距離驗證等多手段相結合，成功克服勘察階段的困難，對該斷層位置進行了準確預報。

4 結論

(1)采用超前地質綜合預報能夠成功克服勘察階斷層破碎帶位置難以確定的困難，施工期間的超前地質綜合預報工作意義重大。

(2)后續(xù)施工開挖揭示，F(xiàn)14斷層破碎帶與超前地質綜合預報所做結論基本相符，對前方圍巖巖體破碎及地下水情況預報效果良好，為后續(xù)施工方案優(yōu)化，支護措施選擇提供了地質依據(jù)。

(3)超前地質預報中，積累斷層破碎帶等不良地質解譯標志可以促進超前預報的發(fā)展，但由于地質條件的復雜性，還需要地質工作者依靠經(jīng)驗但不唯經(jīng)驗去判斷。