綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在陽(yáng)宗隧道的應(yīng)用研究

韓峰

（中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 概述

近年來(lái)隨著國(guó)家“一帶一路”倡議的深入實(shí)施，公路和鐵路等基礎(chǔ)交通建設(shè)不斷深入復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境，給予隧道工程的發(fā)展帶來(lái)了更多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。因此，開(kāi)展隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，精準(zhǔn)全面地探測(cè)隧道掌子面前方圍巖地質(zhì)特征及地下水賦存狀況，對(duì)隧道工程災(zāi)害防治和安全施工具有重要意義。

目前，常應(yīng)用于隧道工程領(lǐng)域的超前地質(zhì)探測(cè)方法有地質(zhì)調(diào)查法、地球物理勘探法和超前鉆探法等。由于隧道施工環(huán)境復(fù)雜多變，采用單一預(yù)測(cè)方法難以達(dá)到預(yù)期效果，預(yù)報(bào)結(jié)果也往往難以令人滿意。為克服此關(guān)鍵難題，近些年越來(lái)越多學(xué)者專注于隧道工程領(lǐng)域綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究[1-5]。另外，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的不良地質(zhì)體的預(yù)報(bào)研究較少，其空間位置、形狀和規(guī)模大小預(yù)報(bào)精度欠缺。鑒于此，依托地質(zhì)條件極為復(fù)雜的陽(yáng)宗隧道，以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，建立綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)，指導(dǎo)陽(yáng)宗隧道安全高效施工。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系構(gòu)建

通過(guò)查閱文獻(xiàn)對(duì)單一超前地質(zhì)探測(cè)方法分析可知，每種方法都有各自的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，決定了各種探測(cè)方法的適用條件、適用范圍和使用前提不盡相同。因此，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道超前地質(zhì)探測(cè)，合理選擇預(yù)報(bào)方法、制定超前地質(zhì)探測(cè)體系對(duì)隧道安全施工至關(guān)重要。本文根據(jù)陽(yáng)宗隧道地質(zhì)條件特點(diǎn)，提出了以“地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，長(zhǎng)距離與中短距離相結(jié)合的多種物探法為主，超前鉆探法驗(yàn)證”的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，探測(cè)流程如圖1 所示。

圖1 綜合超前地質(zhì)探測(cè)體系流程圖

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

福宜高速公路陽(yáng)宗隧道地處呈貢區(qū)陽(yáng)宗鎮(zhèn)境內(nèi)，左線隧道起訖里程為ZK42+250、ZK50+020，全長(zhǎng)7770m，右線隧道起訖里程為K42+313、K50+021，全長(zhǎng)7708m，最大埋深為572.62m，為深埋特長(zhǎng)隧道。

隧址區(qū)屬于構(gòu)造侵蝕低中山地貌區(qū)，地形陡峭，溝谷切割較深；地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、角礫；下伏基巖時(shí)代較為復(fù)雜。根據(jù)區(qū)域資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查綜合分析，隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要為南北向活動(dòng)斷裂，穿過(guò)8 個(gè)斷層破碎帶，且區(qū)域水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，水量較為豐富，受構(gòu)造破碎帶及基巖節(jié)理裂隙發(fā)育的影響，部分形成透水帶，在隧道施工中易產(chǎn)生突水、涌泥等不良影響。

當(dāng)陽(yáng)宗隧道左線掌子面施工至ZK42+845 處，揭露的圍巖結(jié)構(gòu)面由黏土填充，以強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r為主、錘擊易碎，巖質(zhì)較軟且破碎、松散，軟弱夾層發(fā)育，掌子面整體穩(wěn)定性差，其地質(zhì)素描如圖2 所示。此外，由于臨近斷層破碎帶，為保證隧道施工安全，最大可能性避免施工過(guò)程發(fā)生突水、涌泥、大變形和圍巖塌方等重大災(zāi)害，應(yīng)及時(shí)開(kāi)展掌子面前方地質(zhì)探測(cè)工作，了解并掌握斷層的位置、規(guī)模及富水情況，便于及時(shí)采取下步施工措施。

圖2 左幅ZK42+845 掌子面地質(zhì)素描圖

3.2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用

3.2.1 地質(zhì)調(diào)查法

通過(guò)對(duì)陽(yáng)宗隧道左線ZK42+845～ZK42+945 段掌子面圍巖觀察與探測(cè)，判定此段以強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r為主，巖質(zhì)軟弱、破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，且掌子面呈點(diǎn)滴狀滲水。

3.2.2 TSP 法

采用TSP305 Plus 對(duì)隧道左線掌子面前ZK42+845～ZK42+945 段進(jìn)行探測(cè)，有效探測(cè)距離100m。在開(kāi)展探測(cè)工作之前，在掌子面左邊墻上按照要求布置一個(gè)地震波信息接收探頭和24 個(gè)激發(fā)孔，每個(gè)間隔約0.5m，使用錘擊法激發(fā)地震波。利用TSP 儀器采集完成后，對(duì)其探測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理得到圖3 所示。

圖3 TSP 超前地質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果

由圖3 可知：ZK42+845～ZK42+866 段橫、縱波波速、波速比Vp/Vs、泊松比、彈性模量起伏較大，密度變化較小，反射界面較為密集。推測(cè)本段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，巖質(zhì)較軟且極易破碎，基巖裂隙水發(fā)育，整體完整性差，隧道開(kāi)挖易出現(xiàn)掉塊、坍塌情況。ZK42+866～ZK42+886 段總體波速起伏較小，反射界面較少，推測(cè)本段圍巖為強(qiáng)～中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，巖質(zhì)稍硬且破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。ZK42+886～ZK42+925 段密度變小，彈性模量出現(xiàn)負(fù)反射，反射面稍多。推測(cè)本段溶蝕裂隙發(fā)育，富水性較強(qiáng)，易出現(xiàn)掉塊、坍塌情況。ZK42+925～ZK42+945 段縱、橫波波速略有上升，波速比Vp/Vs、泊松比下降，密度變大，彈性模量上升，反射界面稍多，推測(cè)本段圍巖為中風(fēng)化白云巖、灰?guī)r，巖質(zhì)較硬且較破碎，節(jié)理裂隙和軟弱夾層發(fā)育，易出現(xiàn)嚴(yán)重掉塊情況。

3.2.3 GPR 法

采用瑞典的RAMAC/X3M 型地質(zhì)雷達(dá)，采集方式為剖面法，點(diǎn)觸發(fā)，使用時(shí)設(shè)為100MHz 中心頻率的屏蔽天線，時(shí)窗為600ns，采樣點(diǎn)為1024MHz，點(diǎn)距為0.1m，迭加次數(shù)為128 次。圖4 為掌子面ZK42+845 處地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面圖。

圖4 GPR 法地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面圖

由圖可知，在掌子面前方0～30m（ZK42+845～ZK42+875）隧道范圍內(nèi)主要以中低頻信號(hào)為主，但分布不均勻，信號(hào)頻率變化較大，雷達(dá)波同相軸不連續(xù)，波形不均一，振幅較弱。分析推測(cè)該范圍內(nèi)圍巖巖體破碎，溶蝕裂隙發(fā)育，并伴隨股流狀出水，因受降雨補(bǔ)給影響，水量較豐富，穩(wěn)定性差。

3.2.4 TEM 法

采用武漢長(zhǎng)盛工程檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司瞬變電磁YCS400-Z。探測(cè)測(cè)線布置在陽(yáng)宗隧道進(jìn)口左幅ZK42+845 掌子面及兩側(cè)幫，共布置測(cè)點(diǎn)14 個(gè)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)3 個(gè)方向，共45 個(gè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖5 所示。設(shè)計(jì)探測(cè)方向與隧道頂板所在巖層呈45°左右?jiàn)A角向上探測(cè)、順巖層方向探測(cè)、探測(cè)方向與巖層底板45°左右?jiàn)A角向底板探測(cè)。采用多匝線框，小回線量測(cè)，并盡可能讓發(fā)射和接收線框靠近頂板、掌子面和兩側(cè)幫。

圖5 掌子面超前探測(cè)方向布置示意圖

探測(cè)剖面分為上、中、下三圖，如圖6 所示。掌子面正前方向上30°方向，左側(cè)10°～20°方向，ZK42+845～ZK42+880 段呈相對(duì)低阻反映；右側(cè)60°～75°方向，ZK42+880～ZK42+955 段呈相對(duì)低阻反映，推測(cè)該段富水性較強(qiáng)。掌子面正前方左側(cè)0°～30°方向，ZK42+845～ZK42+880 段呈相對(duì)低阻反映，推測(cè)該段富水性較強(qiáng)；掌子面正前方向下30°方向，左側(cè)0°～15°，ZK42+845～ZK42+870 段呈相對(duì)低阻反映，右側(cè)15°方向，ZK42+845～ZK42+865 段呈相對(duì)低阻反映，推測(cè)該段富水性較強(qiáng)。

圖6 TEM 探測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述分析可知，該段隧道整體地下水較活躍，基巖裂隙水發(fā)育。ZK42+845～ZK42+880 段左側(cè)富水性較強(qiáng)，ZK42+880～ZK42+955 段段右側(cè)富水性較強(qiáng)，水量稍大，施工需密切注意地下水情況，加強(qiáng)截排水工作。

3.2.5 超前鉆探

在上述物探預(yù)報(bào)結(jié)果綜合分析基礎(chǔ)之上，確定陽(yáng)宗隧道前方圍巖破碎帶和巖溶發(fā)育大致情況。為保證隧道施工掘進(jìn)的安全性，更加直觀可見(jiàn)、準(zhǔn)確地反映探測(cè)結(jié)果，確定在掌子面ZK42+845 處布置超前水平鉆探，施作3 個(gè)超前鉆孔，深度為30m。采用具有取芯功能的超前水平鉆機(jī)，并配有孔內(nèi)成像儀進(jìn)行孔內(nèi)成像。綜合孔內(nèi)成像和芯樣分析表明：ZK42+845～ZK42+875 段圍巖較為破碎，巖質(zhì)較軟，巖層結(jié)合性較差且裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育，部分部位滴狀出水，整體情況與前述物探分析結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

4.1 TSP 法可以定量反映隧道巖體參數(shù)，探測(cè)距離長(zhǎng)，探測(cè)結(jié)果直觀，可以有效探測(cè)巖體破碎段。

4.2 GPR 法探測(cè)距離雖然較短，但是高分辨率和高定位精度可以有效探測(cè)掌子面前方含水不良地質(zhì)體。

4.3 TEM 法對(duì)低電阻率目標(biāo)體反應(yīng)靈敏，可準(zhǔn)確探測(cè)掌子面前方富水區(qū)域，精準(zhǔn)探測(cè)隧道掌子面前方水文地質(zhì)條件。

4.4 三種物探方法可以相互驗(yàn)證，減少單一方法的不準(zhǔn)確性與誤報(bào)漏報(bào)，提高隧道超前地質(zhì)探測(cè)的可靠性，并采用超前地質(zhì)鉆探驗(yàn)證，為隧道施工安全提供可靠保障。