綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在巖溶地區(qū)軌道交通隧道中的應(yīng)用

甘愛明（上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司， 上海 200032）

0 引 言

近年來，發(fā)展迅速的城市軌道交通為緩解城市整體交通壓力和綠色出行作出了重大貢獻(xiàn)。隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，工程建設(shè)面臨著諸多挑戰(zhàn)，除了工程建設(shè)本身的一些技術(shù)難題以外，由工期要求或場(chǎng)地限制等因素帶來的難題越來越多。例如，在城市軌道交通建設(shè)中，因受投資控制、場(chǎng)地限制、進(jìn)度控制等因素的影響，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)段落設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘察成果難以做到面面俱到。特別對(duì)于巖溶地區(qū)淺埋暗挖區(qū)間隧道施工來說，其地質(zhì)條件復(fù)雜多變，若不能有效探明不良地質(zhì)條件，則會(huì)給施工階段帶來很高的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了確保建設(shè)施工安全，施工階段常會(huì)采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)來進(jìn)一步探明巖溶發(fā)育區(qū)域不良地質(zhì)體的分布情況，但單一超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法總有一定的局限性，若結(jié)合工程特點(diǎn)及各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的特點(diǎn)，制定綜合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案，則更能準(zhǔn)確地探明巖溶發(fā)育情況。筆者將對(duì)目前常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法特點(diǎn)進(jìn)行分析，以巖溶地區(qū)某軌道交通工程區(qū)間隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用為背景，探討綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段的應(yīng)用成果。

1 常見超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法分析

地質(zhì)預(yù)報(bào)方法一般分為地質(zhì)分析法和物探類方法。地質(zhì)分析法包括：工程地質(zhì)調(diào)查法、超前導(dǎo)洞（坑）法、超前鉆探法、經(jīng)驗(yàn)法等；物探類方法包括：TSP 超前地質(zhì)探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、激發(fā)極化法等[1]。按照探測(cè)的有效距離，地質(zhì)預(yù)報(bào)方法還有長(zhǎng)距離和短距離之分。

1.1 地質(zhì)分析法

1.1.1 工程地質(zhì)調(diào)查法

工程地質(zhì)調(diào)查法主要是在分析巖溶發(fā)育機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道水文地質(zhì)情況，大致推測(cè)出隧道線路上巖溶形態(tài)的分布規(guī)律，從而劃分巖溶超前預(yù)報(bào)的重點(diǎn)地段并推測(cè)。此種方法可推測(cè)整個(gè)區(qū)間巖溶的發(fā)育情況，結(jié)果較為宏觀，可作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)地段選址的判斷方法，能起到提高巖溶超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性的效果，但不能作為巖溶發(fā)育的定量分析方法。

1.1.2 超前鉆探法

超前鉆探法主要應(yīng)用于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以洞內(nèi)超前水平鉆探、地面垂直鉆探為主。該種方法較為直觀，針對(duì)單一的不良地質(zhì)體探測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，一般探測(cè)預(yù)報(bào)長(zhǎng)度可達(dá) 30 m。但是，不均勻的地質(zhì)條件和不良的地質(zhì)體多發(fā)情況，會(huì)增加超前鉆探法的探測(cè)難度，若遇到平行鉆探方向的裂隙、節(jié)理發(fā)育等，則更難以探測(cè)；此外，在城市軌道交通建設(shè)中易受場(chǎng)地限制，在一定程度上也限制了超前鉆探法的應(yīng)用。

1.2 物探類方法

常見的物探法主要有地震反射波法（TSP、TRT 等）[2]、地震散射波法（SSP 等）、地質(zhì)雷達(dá)[3]、紅外探水[4]、瞬變電磁[5]等。各種物探方法都是基于一定理想模型進(jìn)行計(jì)算分析的，從而都有各自的局限性和適用性[6]。具體分析詳見表1。例如，TSP 多用于洞內(nèi)長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（100 m～200 m），地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水等多用于短距離預(yù)報(bào)（15 m～ 30 m）[7]。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

以某巖溶地區(qū)軌道交通暗挖隧道區(qū)間為例，分析其設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)條件及對(duì)周邊環(huán)境的調(diào)查情況，據(jù)此選擇合適的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案；將后期施工揭露巖溶的發(fā)育情況與綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案的應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。

2.1 工程概況

該暗挖區(qū)間隧道起訖里程為 RDK0＋067.614～RDK1＋422，全長(zhǎng) 1 354.386 m，采用礦山法施工。設(shè)計(jì)階段資料顯示 RDK0＋067.614～RDK0＋226 段地質(zhì)條件最為復(fù)雜，其余段落隧道埋深較深且相對(duì)不良地質(zhì)情況發(fā)育較少。因此，選取 RDK0＋067.614～RDK0＋226 段作為代表段進(jìn)行后述內(nèi)容分析，該段地質(zhì)情況及周邊環(huán)境情況如下。

（1）地質(zhì)情況。該段場(chǎng)區(qū)發(fā)育有正斷層，與隧道線路呈 80° 相交，斷層破碎帶寬約 5 m，斷層影響帶寬約 10 m ～ 15 m，富水性中等。受斷層構(gòu)造影響，場(chǎng)區(qū)巖層產(chǎn)狀變化較大，隧頂埋深為 8 m～12 m，隧道圍巖為三疊系下統(tǒng)安順組（T1a）強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化薄至中厚層泥晶白云巖，覆蓋層多為紅黏土，呈可塑～軟塑狀，該層厚 0.0 m～8.1 m，軟塑紅黏土多分布于低洼溶槽地帶及溶洞充填物，分布零星、不連續(xù)，巖溶發(fā)育程度等級(jí)為強(qiáng)發(fā)育。

（2）周邊環(huán)境情況。隧道上方為既有社會(huì)道路，車流量大，物流重車多。該處地勢(shì)較低，地表水補(bǔ)給較為豐富，既有雨污水管道有局部范圍破損。

2.2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案

根據(jù)上述超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的特點(diǎn)分析，考慮到該段地層巖性特征、地層富水及地表水補(bǔ)給情況、淺埋暗挖隧道特點(diǎn)、周邊環(huán)境等實(shí)際情況，本著全方位、全過程探測(cè)巖溶發(fā)育和不良地質(zhì)體的原則，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的選擇遵循以洞內(nèi)為主、洞外為輔和長(zhǎng)、短距離探測(cè)相結(jié)合的思路。考慮到施工會(huì)改變圍巖邊界環(huán)境，將超前預(yù)報(bào)時(shí)間貫穿于施工前、施工中、施工后。結(jié)合上述地質(zhì)情況和周邊環(huán)境調(diào)查結(jié)果，選擇該區(qū)間隧道 RDK0＋067.614～RDK0＋226 段綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案（見表2）；其余段落的地表環(huán)境和地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，僅選用了洞內(nèi) TSP、超前鉆探、紅外探水及地質(zhì)雷達(dá)作為綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

表2 RDK0＋067.614～RDK0＋226 段區(qū)間隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案

2.3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果分析

為了更好地討論綜合超前地質(zhì)方案的應(yīng)用成果，筆者將同一段落施工前用不同方法探測(cè)的不良地質(zhì)情況作了匯總（見表3）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖實(shí)際揭露情況及超前鉆探結(jié)果，表3 中五種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法探測(cè)出的異常點(diǎn)大部分都是吻合的，小部分填充型溶腔、溶槽未被探測(cè)出。為了更好地進(jìn)行比對(duì)分析，根據(jù)表3 情況，繪制成各超前預(yù)報(bào)方法施工前探測(cè)結(jié)果的對(duì)比圖（見圖1），結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際剖析超前鉆探情況，具體如下。

表3 RDK0＋067.614～RDK0＋226 段區(qū)間隧道施工前綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)異常點(diǎn)匯總表

圖1 各超前預(yù)報(bào)方法施工前探測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

（1）洞內(nèi)三種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（TRT、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水）異常點(diǎn)段落在 RDK0＋205～RDK0＋165、RDK0＋153～RDK0＋095 基本一致。在工程實(shí)際中，根據(jù)洞內(nèi)、 地表綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，在 RDK0＋107～RDK0＋067段采用了地表注漿和洞內(nèi)中管棚加固處理措施，因此后續(xù)段落洞內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)和紅外探水探測(cè)結(jié)果反映的是完成加固處理的地質(zhì)情況。

（2）兩種洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào) SSP 和地表地質(zhì)雷達(dá)掃描探測(cè)的異常點(diǎn)結(jié)果基本一致。

（3）洞內(nèi)探測(cè)結(jié)果與地表探測(cè)結(jié)果差距較大，其原因主要是洞內(nèi)探測(cè)異常點(diǎn)界面主要為垂直于隧道軸線方向，地表探測(cè)異常點(diǎn)界面大多與地表平行。

（4）各種方法對(duì)于異常點(diǎn)的具體位置描述還是存在較大差異。根據(jù)超前鉆探及后期揭露顯示，長(zhǎng)距離能先一步預(yù)測(cè)異常點(diǎn)段落，短距離能更為準(zhǔn)確地定位異常點(diǎn)位置。地表 SSP 探測(cè)方法能夠從地表準(zhǔn)確地探測(cè)出地層分布情況，地表地質(zhì)雷達(dá)掃描探測(cè)深度有限。

（5）比對(duì)施工前、施工中、施工后的地表探測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，局部段落在施工中和施工后會(huì)新增異常點(diǎn)，其主要原因是施工中可能會(huì)造成不良地質(zhì)段邊界條件不斷改變，比如洞內(nèi)出現(xiàn)成股水持續(xù)流出或水土流失等異常情況，在一定周期后反映到地表形成空洞、空腔。

3 結(jié) 語

（1）建議在制定綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案前，依據(jù)前期勘察結(jié)果和設(shè)計(jì)階段資料，大致判斷巖溶地區(qū)溶蝕發(fā)育和不良地質(zhì)體等分布情況，同時(shí)結(jié)合隧道埋深、地質(zhì)情況等，與各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法特點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)分析，為制定不良地質(zhì)處理方案建立參考依據(jù)。

（2）建議在復(fù)雜周邊環(huán)境和不良地質(zhì)段的施工中，定期進(jìn)行地表空洞探測(cè)，完工后再次進(jìn)行空洞探測(cè)，以減少后期運(yùn)營(yíng)期間的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案不僅要考慮施工對(duì)于周邊土體的影響，而且還要考慮一些外部環(huán)境的影響。例如，雨污水管若出現(xiàn)滲漏狀態(tài)會(huì)加劇不良地質(zhì)對(duì)隧道施工的影響，易造成其周邊土體流失而引起地表空洞或塌陷，因而對(duì)于雨污水管狀態(tài)的排摸應(yīng)作為施工前、施工中、施工后對(duì)周邊環(huán)境調(diào)查與保護(hù)的工作重點(diǎn)之一，必要時(shí)還可以納入超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合方案中。