張吉懷鐵路隧道超前預(yù)報技術(shù)應(yīng)用研究

蔡 盛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

張吉懷鐵路是湖南省西部快速鐵路通道和環(huán)省快速鐵路網(wǎng)的骨干線路，是一條精品黃金旅游路線，也是精準(zhǔn)扶貧武陵山片區(qū)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對湖南省西部扶貧開發(fā)具有重要意義。該鐵路從在建黔張常鐵路張家界西站引出，經(jīng)永順、古丈、吉首、鳳凰、麻陽，接入懷化南站，正線長247.5 km，隧道123座，其中一級風(fēng)險隧道8座，穿越雪峰山脈、武陵山脈和沅麻盆地，地形地貌多變，是典型的山區(qū)鐵路，特別是隧道工程地質(zhì)及水文條件十分復(fù)雜，斷層、溶洞、落水洞等廣泛分布，易發(fā)生突水涌泥、表水枯竭、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，一直冠有“宜萬第二”的稱呼。

由于張吉懷鐵路復(fù)雜的地質(zhì)條件和隧道施工風(fēng)險，超前地質(zhì)預(yù)報工作就顯得至關(guān)重要。開工以來，建設(shè)單位多次組織各參建單位進(jìn)行超前預(yù)報工作現(xiàn)場觀摩，研討研究，要求嚴(yán)格實施超前地質(zhì)預(yù)報。鐵四院作為設(shè)計單位和一級風(fēng)險隧道的預(yù)報實施單位，積極響應(yīng)建設(shè)單位號召，統(tǒng)籌規(guī)劃、合理組織，整個施工過程中，多次準(zhǔn)確預(yù)報重大風(fēng)險異常，規(guī)避施工風(fēng)險，積累了一套完整的技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗。

1 鐵路隧道超前預(yù)報的難點

物探方法在隧道中應(yīng)用,與常規(guī)地面物探在均勻半空間的應(yīng)用環(huán)境不一樣, 隧道施工中其巷道式空間使得超前預(yù)報的主要物探技術(shù)受到了很大的局限，這就形成了隧道內(nèi)特殊的工程地球物理條件[1]。主要體現(xiàn)在：隧道封閉結(jié)構(gòu)使得任何物探方法的實施結(jié)果都是接收全空間的物理場信息；隧道內(nèi)的鋼筋混凝土、仰拱、臺架、高壓電等工程結(jié)構(gòu)，對電磁類方法造成極大的干擾；隧道內(nèi)施工震動造成地震類方法有效信號識別提取難；鐵路隧道施工中超前預(yù)報的組織形式和時效要求極其苛刻。這些方面都會對隧道超前預(yù)報的成果準(zhǔn)確性造成極大的影響。

2 鐵路隧道超前預(yù)報實施原則

超前地質(zhì)預(yù)報實施的原則是采用地質(zhì)調(diào)查與勘探相結(jié)合、物探與鉆探相結(jié)合、長距離與短距離相結(jié)合、地面與地下相結(jié)合的方法，并對各種方法預(yù)報結(jié)果綜合分析，相互驗證，提高預(yù)報準(zhǔn)確性。

超前地質(zhì)預(yù)報開始實施之前，需有充分的準(zhǔn)備時間。超前預(yù)報的負(fù)責(zé)人宜為勘察階段技術(shù)人員，更加了解現(xiàn)場地質(zhì)情況。預(yù)報項目部成立后，應(yīng)收集整理勘察資料，重新分析并劃分重點段落。重點段落在后期實施時應(yīng)重點關(guān)注，動態(tài)調(diào)整預(yù)報方案，預(yù)報資料慎重解釋。具體實施時，宜先采用長距離預(yù)報方法了解隧道的宏觀地質(zhì)情況；然后在異常地段布置中短距離預(yù)報方法，進(jìn)一步確定異常位置和規(guī)模；最后在物探異常段落進(jìn)行超前鉆探的驗證，如物探異常得到驗證，需進(jìn)行施工預(yù)警。對于重大風(fēng)險段落，需嚴(yán)格執(zhí)行超前地質(zhì)預(yù)報流程的五個階段(五步法)，如下表1所示，使整個預(yù)報過程形成閉環(huán)，才能最大程度降低風(fēng)險。

表1 超前地質(zhì)預(yù)報流程的五個階段

物探作為地質(zhì)預(yù)報重要的組成部分，要求采用綜合物探技術(shù)，有利于提高物探結(jié)果的可靠性[2-7]，減少物探多解性對預(yù)報結(jié)果的影響。綜合物探技術(shù)包括地表物探和洞內(nèi)物探，地表物探主要為勘察階段所做工作，為洞內(nèi)物探提供靶區(qū)，主要包括大地電磁、高密度電法、可控源電磁法、地震勘探等物探技術(shù)。而洞內(nèi)物探主要是彈性波反射法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)法等物探方法，洞內(nèi)物探技術(shù)應(yīng)合理搭配，長短結(jié)合，相互驗證。

3 鐵路隧道超前預(yù)報物探技術(shù)

3.1 彈性波反射法關(guān)鍵技術(shù)

彈性波反射法為隧道長距離預(yù)報的主要方法手段，能夠?qū)φ谱用媲胺綐?gòu)造性異常進(jìn)行有效探測[8-12]。其最關(guān)鍵技術(shù)在于數(shù)據(jù)采集時采用有效的方法壓制施工現(xiàn)場震動干擾，提高數(shù)據(jù)的信噪比。主要措施在于：①炮孔應(yīng)垂直隧道壁向下傾斜，放炮前需往炮孔灌水，如現(xiàn)場灌水困難，應(yīng)采用錨固劑將炮孔封堵嚴(yán)實，有利于能量向圍巖中傳播；②接收檢波器優(yōu)先采用加速度檢波器，有利于接收更豐富的信號，孔口需用黃泥或其他物質(zhì)封堵，以減少聲波的進(jìn)入；③現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)加強(qiáng)溝通創(chuàng)造條件，在炮孔激發(fā)時現(xiàn)場需停止施工，為信號接收創(chuàng)造有效窗口。

3.2 瞬變電磁法關(guān)鍵技術(shù)

隧道瞬變電磁法是一種非接觸式探測技術(shù)，施工效率高，現(xiàn)場操作性良好，主要用于探測巖溶和裂隙水，宜在富水段落布置[13-14]。其技術(shù)要點有：①在數(shù)據(jù)采集時，應(yīng)把車輛、臺架盡量遠(yuǎn)移，車輛應(yīng)熄火，現(xiàn)場不允許有電焊等帶電作業(yè)。②宜進(jìn)行扇形掃面，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，并注意探測剖面角度的準(zhǔn)確性。③詳細(xì)記錄隧道鋼拱架鋪設(shè)情況、位置等信息，來輔助成果解釋。

3.3 探地雷達(dá)法關(guān)鍵技術(shù)

探地雷達(dá)法作為有效的短距離超前預(yù)報方法，能夠?qū)Φ刭|(zhì)異常進(jìn)行較為精確的定位[15-16]。然而，在隧道中探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集信號包含了許多干擾波，主要為水平層狀強(qiáng)振幅反射波，即包括隧道側(cè)壁、拱頂、鐵軌、排水管等沿隧道縱向延伸的金屬、非金屬線狀結(jié)構(gòu)物等，需要采用結(jié)構(gòu)掃描處理，提高圖像信噪比。在數(shù)據(jù)采集過程中，可對具有相同環(huán)境性質(zhì)的里程段，首先進(jìn)行一次背景采集，而后在正式數(shù)據(jù)采集過程中，采用“背景去除”予以消除。在數(shù)據(jù)采集完成后需詳細(xì)記錄現(xiàn)場情況，如臺車離掌子面的準(zhǔn)確距離，在異常識別時通過電磁波在空氣中的速度換算距離，來估算哪些波組屬于臺車產(chǎn)生的干擾異常。

4 工程實例

4.1 張吉懷鐵路新華山隧道超前預(yù)報

4.1.1 工程概況

擬建新華山隧道位于湖南省張家界市和湘西州永順縣境內(nèi)，線路近WS走向(約226°)。場區(qū)以構(gòu)造侵蝕低山為主，地形陡峭，溝谷狹長，多呈“V”字型。該區(qū)屬于大庸斷陷盆地構(gòu)造變形區(qū)，區(qū)內(nèi)斷層和褶皺均較發(fā)育，其中NEE向展布的加里東期和燕山期構(gòu)造行跡組成了本區(qū)的主要構(gòu)造格架。燕山期形變主要繼承了前期構(gòu)造變形，使構(gòu)造行跡具有多期次活動、多種性質(zhì)的特點。線位穿越張家界—古丈區(qū)域平移斷層及其次生斷層之間。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及沿線實際調(diào)查，新華山隧道洞身穿越大小斷層共8條，斷層走向以SW向較多，近NW向較少，性質(zhì)既有脆性擠壓特征，又有拉張斷裂特征。構(gòu)造發(fā)育地段，可能出現(xiàn)涌水涌泥，施工安全風(fēng)險極大。前期勘察階段，已經(jīng)用大地電磁法確定了構(gòu)造的具體位置，并通過鉆探進(jìn)行了驗證。地勘資料為洞內(nèi)物探提供重大風(fēng)險段靶區(qū)，通過分析研究確定劃分后坪斜井里程150～50為重大風(fēng)險段落，其受構(gòu)造F1影響，可能出現(xiàn)涌水涌泥，進(jìn)而確定洞內(nèi)采用彈性波反射法和瞬變電磁法進(jìn)行綜合物探法預(yù)報。

4.1.2 預(yù)報成果分析

根據(jù)現(xiàn)場安排，在掌子面掘進(jìn)至里程146時進(jìn)行彈性波反射法預(yù)報，采用TSP303系統(tǒng)現(xiàn)場作業(yè)。隧道設(shè)計資料顯示，在預(yù)報里程范圍內(nèi)隧洞埋深120～175 m，圍巖級別為Ⅳ級—Ⅲ級，巖性為白云巖，灰白色、灰褐色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄—中厚層狀構(gòu)造，弱風(fēng)化，巖質(zhì)硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎?，F(xiàn)場掌子面滴水，拱頂輕微掉塊。

根據(jù)圖1 TSP303系統(tǒng)預(yù)報成果2D視圖、圖2 TSP303系統(tǒng)巖體物性參數(shù)2D曲線綜合分析，在102～67里程段縱、橫波速度降低，反射界面較密集，推測該段圍巖較前段趨差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，推測為斷層F1影響帶。為了探明富水情況，進(jìn)而在掌子面110進(jìn)行瞬變電磁探測，其探測成果如圖3所示，結(jié)果表明，順?biāo)淼谰蜻M(jìn)方向25～40 m(里程85～70)區(qū)段存在相對較明顯的低阻異常區(qū)，異常主要集中在待掘隧道前方該區(qū)段的左側(cè)20～右側(cè)5 m、頂部10 m～底部15 m范圍的局部區(qū)域。依據(jù)各個斷面異常圖位置關(guān)系，異常范圍在空間位置上部分重疊，該掌子面前方25～40 m范圍的低阻異常區(qū)，推測為該區(qū)段節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，有一定程度富含水性，中等程度富水。而后實施超前水平鉆，鉆孔冒水，隨著鉆孔深度增加越來越大，鉆至里程80時，鉆孔水量如見圖4。

圖1 TSP303系統(tǒng)預(yù)報成果2D視圖Fig.1 2D view of prediction result of TSP303 system

圖2 TSP303系統(tǒng)巖體物性參數(shù)2D曲線Fig.2 2D curves of rock property of TSP303 system

圖3 瞬變電磁法視異常擬斷面成果Fig.3 The iversion apparent resistivity profiles of TEM

圖4 掌子面涌水現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 Photos of water gushing in the face of the tunnel

4.2 張吉懷鐵路永順?biāo)淼莱邦A(yù)報

4.2.1 工程概況

擬建永順?biāo)淼牢挥诤鲜∠嫖髦萦理樋h芙蓉鎮(zhèn)、小溪鎮(zhèn)境內(nèi)，線路為SW走向。場區(qū)屬構(gòu)造溶蝕低山地貌，地勢陡峭。隧道洞身主體構(gòu)造為松柏場向斜，走向為NE—SW向，其核部巖層為奧陶系灰?guī)r，往兩翼依次為寒武系至震旦系的灰?guī)r、碎屑巖地層，隧道穿行于向斜南東翼，主要位于寒武系地層中，易遭遇巖溶及巖溶水的危害，尤其是寒武系上統(tǒng)巖性較純，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，施工風(fēng)險高。

通過地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)線路附近有大量地表巖溶洼地、落水洞，有的已經(jīng)形成暗河通道，如圖5。而地表物探高頻大地電磁勘探對區(qū)域巖溶進(jìn)行了宏觀的評價，并確定風(fēng)險靶區(qū)。據(jù)此把永順?biāo)淼莱隹?8050～67825段定為高風(fēng)險巖溶發(fā)育區(qū)，采用彈性波反射法和地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行綜合物探預(yù)報。

圖5 永順?biāo)淼赖卣{(diào)資料顯示巖溶通道發(fā)育Fig.5 The development of karst of Yongshun tunnel

4.2.2 預(yù)報成果分析

根據(jù)現(xiàn)場安排，在掌子面掘進(jìn)至67964時進(jìn)行彈性波反射法預(yù)報，采用TETSP系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)。掌子面揭示為灰?guī)r，青灰色，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，方解石充填，巖體較為破碎，掌子面較干燥。TETSP系統(tǒng)反射層位及參數(shù)分布如圖6所示，據(jù)此推斷，在67925～67885段縱橫波速度值有較大的起伏變化，局部呈明顯相對低速，同時此段反射層位圖上強(qiáng)反射界面極為密集，推測此段巖溶發(fā)育。為了更進(jìn)一步確定異常具體位置，在掌子面67922進(jìn)行探地雷達(dá)法預(yù)報，波形成果如圖7所示。據(jù)此推斷，在掌子面前方8～19 m內(nèi)(67914～67903段)雷達(dá)電磁波反射信號極為強(qiáng)烈，局部位置呈弧形反射，推測該段為溶洞發(fā)育區(qū)，溶洞最大處覆蓋整個掌子面；在掌子面前方19～30 m內(nèi)(67903～67892段)雷達(dá)電磁波呈大面積強(qiáng)反射狀，根據(jù)現(xiàn)場記錄臺車離掌子面46 m，電磁波在隧道空腔中傳播速度3×108m/s，確認(rèn)該異常系施工臺車干擾所致。由于臺車干擾，在雷達(dá)剖面上無法辨識巖溶異常的底界面。之后進(jìn)行超前水平鉆，鉆探資料顯示在67913時鉆桿突進(jìn)，循環(huán)水量減少，異常為溶洞，無填充。至此物探異常得到驗證，預(yù)報項目部向建設(shè)單位和施工單位進(jìn)行施工預(yù)警。隧道施工至里程67914時，開始揭示溶洞，最終溶洞形態(tài)如圖8所示。

圖6 TETSP系統(tǒng)反射層位及參數(shù)分布Fig.6 The prediction result and rock property of TETSP system

圖7 地質(zhì)雷達(dá)波形成果Fig.7 The waveform result of GPR

圖8 永順?biāo)淼澜沂镜娜芏碏ig.8 The exposed karst cave of Yongshun tunnel

5 結(jié)論

1)隧道超前預(yù)報以物探方法為主，對于重大風(fēng)險段，嚴(yán)格執(zhí)行五步法預(yù)報顯得尤為重要。

2)隧道超前預(yù)報物探方法需采用長距離與短距離相結(jié)合、地面與地下相結(jié)合的綜合勘探，多種方法相互補(bǔ)充，可提高超前地質(zhì)預(yù)報的可靠性與準(zhǔn)確性。

3)需重視對地表資料的收集與利用，地表勘察資料能夠?qū)Φ叵碌刭|(zhì)異常進(jìn)行預(yù)測圈定，提供洞內(nèi)物探的重大風(fēng)險靶區(qū)。

4)彈性波反射法作為主要的長距離預(yù)報方法，現(xiàn)場作業(yè)時需控制施工干擾源，提高數(shù)據(jù)信噪比，方可有效對掌子面前方構(gòu)造型異常進(jìn)行宏觀評價。

5)瞬變電磁法可設(shè)計三維瞬變電磁超前數(shù)據(jù)采集方法，可從更廣闊的空間獲得電性參數(shù)空間分布情況，而且對含水巖溶的探測優(yōu)于其他預(yù)報方法。

6)地質(zhì)雷達(dá)作為有效的短距離探測方法，探測精度高，適合在長距離預(yù)報方法的異常地段進(jìn)行布置，但需注意排除干擾異常。

7)超前水平鉆作為超前預(yù)報中的重要環(huán)節(jié)，在重大物探異常處需嚴(yán)格實施，驗證物探異常，減少誤報、錯報，提高預(yù)報的準(zhǔn)確性。