綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在牡佳高鐵某隧道應(yīng)用研究

張世霖，馬瑞濤，席 偉

（中鐵資源集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)有限公司，河北廊坊 065000）

近年來國(guó)家的基礎(chǔ)交通建設(shè)得到大力發(fā)展，愈來愈多的隧道工程面臨各種復(fù)雜多變的地質(zhì)作業(yè)環(huán)境，遇到軟弱破碎帶、斷層的發(fā)育、突水涌泥、圍巖崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，給隧道安全施工帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此，采用真實(shí)可靠的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，通過預(yù)測(cè)隧道掌子面前方各類地質(zhì)信息，可為隧道安全開挖提供地質(zhì)保障。

關(guān)于在隧道工程建設(shè)中不同超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的選擇和運(yùn)用，眾多專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究［1-4］。張強(qiáng)葳等［5］通過將地質(zhì)素描的超前預(yù)報(bào)方法運(yùn)用于黑山南北高速項(xiàng)目，基于地質(zhì)素描信息來修正設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和開挖、素描、支護(hù)、監(jiān)測(cè)相結(jié)合的施工模式。韋建昌等［6］采用超前水平鉆探技術(shù)對(duì)巖溶區(qū)某隧道圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，開挖結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)論可靠、準(zhǔn)確，為巖溶區(qū)突水涌泥的防治工作提供參考。牟元存等［7］通過總結(jié)上百座高風(fēng)險(xiǎn)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，表明TSP 法在預(yù)報(bào)探測(cè)距離100～120 m 范圍內(nèi)有較高的準(zhǔn)確性。

上述研究表明，每種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法都有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，通過結(jié)合多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，可增加預(yù)報(bào)信息和提高預(yù)報(bào)精度，精準(zhǔn)全面地預(yù)測(cè)復(fù)雜地質(zhì)信息，對(duì)隧道工程建設(shè)中地災(zāi)防治和安全施工具有極為重要指導(dǎo)和參考意義。

1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

1.1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法主要有2 種，即隧道地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查和隧道內(nèi)部掌子面地質(zhì)素描［8］。在隧道建設(shè)過程中，根據(jù)超前預(yù)報(bào)所需要的地質(zhì)信息來做好相應(yīng)的補(bǔ)充資料收集和處理。隨著隧道開挖工作的進(jìn)行，還必須對(duì)掌子面做地質(zhì)素描處理，可實(shí)時(shí)直接觀察地質(zhì)信息變化，一般素描間隔2～10 m，預(yù)報(bào)探測(cè)距離短，針對(duì)復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境還需加大素描頻次。

1.2 超前水平鉆探法

超前水平鉆探法，一般鉆探長(zhǎng)度為30～50 m，必要時(shí)可加深鉆探深度，預(yù)報(bào)探測(cè)距離中長(zhǎng)，適用于隧道內(nèi)軟弱斷層帶、地下水發(fā)育等復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境。在連續(xù)實(shí)施預(yù)報(bào)期間，設(shè)置前后循環(huán)鉆孔距離應(yīng)重疊5～8 m。在鉆探期間，必須結(jié)合地質(zhì)富水特征，相對(duì)應(yīng)的配置孔板止水裝置、止水球閥等，避免高壓水從中溢出，對(duì)人員和設(shè)備造成損傷［9］。

1.3 TSP 地震波反射法

TSP 地震波反射法，預(yù)報(bào)探測(cè)距離長(zhǎng)，一般為100～120 m，適用于各種各樣地質(zhì)環(huán)境，能夠有效預(yù)報(bào)溶洞、軟弱破碎帶、斷層、暗河等不良地質(zhì)體信息，預(yù)報(bào)成果精度高、預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)［10］。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ビ龅讲涣嫉刭|(zhì)體，地震波信號(hào)的傳播、反射和透射入巖體的再反射，均可被檢波器接收和記錄。通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，可預(yù)測(cè)掌子面前方圍巖和地下水等特征。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

擬建牡佳高鐵某隧道位于黑龍江省佳木斯市和雙鴨山市，隧道進(jìn)口里程DK307+778，出口里程DK318+069，長(zhǎng)度10.291 km，最大埋深約420 m，為深埋特長(zhǎng)隧道。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和區(qū)域地質(zhì)資料，地層巖性表層覆土多為第四系粗砂、細(xì)角礫土，含大量黏性土，下伏地層為下元古界麻山群片巖、變粒巖、大理巖和混合巖。隧址區(qū)屬華夏系坳陷盆地構(gòu)造變形區(qū)，區(qū)內(nèi)斷層和褶皺發(fā)育，隧道穿越不同大小、性質(zhì)的斷層共11 條，地質(zhì)條件差。區(qū)域水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，水量較為豐富，在構(gòu)造破碎帶出現(xiàn)突水涌泥、圍巖崩塌等地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)極高；評(píng)估為Ⅰ級(jí)（高度）風(fēng)險(xiǎn)隧道。

根據(jù)勘察階段鉆孔揭露和物探成果，隧道里程DK310+525～DK310+470，長(zhǎng)約55 m，主要為片巖及混合巖接觸帶，裂隙發(fā)育，巖體破碎，隧道洞身穿越FD2 斷層，可能出現(xiàn)突水涌泥、圍巖崩塌不良現(xiàn)象，被劃分為重大風(fēng)險(xiǎn)段落，進(jìn)而確定在洞內(nèi)里程DK310+530 位置采用地質(zhì)調(diào)查法、超前水平鉆探法和TSP 地震波反射法進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2.2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果

2.2.1 地質(zhì)調(diào)查法預(yù)報(bào)成果

隧道開挖后，DK310+530 里程掌子面和地質(zhì)素描如圖1 所示。揭示巖性為混合巖，呈灰色、灰褐色，巖質(zhì)較軟，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)；節(jié)理很發(fā)育，主要有4 組節(jié)理，J1 產(chǎn)狀220°∠45°，J2 產(chǎn)狀231°∠42°，J3 產(chǎn)狀238°∠22°，J4 產(chǎn)狀242°∠35°，節(jié)理間距1～2 m，節(jié)理延展長(zhǎng)約1～3 m，多為微張節(jié)理，部分張開；拱頂有雨滴狀出水；巖體整體較破碎，圍巖穩(wěn)定性差，圍巖級(jí)別劃分為Ⅳ級(jí)，未揭示斷層。

圖1 DK310+530 里程掌子面和地質(zhì)素描圖

2.2.2 超前水平鉆探法預(yù)報(bào)成果

在DK310+530 里程掌子面設(shè)置超前水平鉆孔1#孔，鉆孔水平角0°，豎直角0°，設(shè)計(jì)孔深80 m，探測(cè)里程范圍DK310+530～DK310+450。鉆孔布置和現(xiàn)場(chǎng)鉆探如圖2 所示。

圖2 DK310+530 里程超前水平鉆探

根據(jù)超前水平鉆孔揭露，將勘探深度內(nèi)巖性按照結(jié)構(gòu)構(gòu)造和物理力學(xué)性質(zhì)，劃分為2 個(gè)工程地質(zhì)亞巖組，巖性特征和分布情況如下：

（1）1 DK310+530～DK310+526 段，長(zhǎng)度4 m，巖性為混合巖，灰色、灰褐色，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，礦物成分以石英、長(zhǎng)石和云母為主，含少量石墨，巖芯呈碎石狀和柱狀，巖質(zhì)較軟，巖石結(jié)構(gòu)為壓碎結(jié)構(gòu)，巖體結(jié)構(gòu)為碎裂狀和層狀結(jié)構(gòu)。

（2）2 DK310+526～～DK310+460 段，長(zhǎng)度66 m，巖性為混合巖，灰色、黑色，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)已被破壞，難以辨認(rèn)，礦物成分以石墨、石英、長(zhǎng)石和云母為主，巖芯呈砂粒狀和碎石狀，巖質(zhì)軟硬不均，巖石結(jié)構(gòu)為壓碎結(jié)構(gòu)，巖體結(jié)構(gòu)為散體結(jié)構(gòu)。

（3）1 DK310+460～DK310+450 段，長(zhǎng)度10 m，巖性為混合巖，灰色、灰褐色，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，礦物成分以石英、長(zhǎng)石和云母為主，含少量石墨，巖芯呈碎石狀和柱狀，巖質(zhì)較軟，巖石結(jié)構(gòu)為壓碎結(jié)構(gòu)，巖體結(jié)構(gòu)為碎裂狀和層狀結(jié)構(gòu)。

通過鑒定超前水平鉆探法鉆取巖芯的物理力學(xué)性質(zhì)，可精確探測(cè)里程范圍內(nèi)地層變化，預(yù)報(bào)里程DK310+526～DK310+460，長(zhǎng)約66 m，隧道穿越FD2 斷層，斷層內(nèi)部分鉆探巖芯，如圖3 所示。

圖3 斷層內(nèi)部分鉆探巖芯

2.2.3 TSP 地震波反射法預(yù)報(bào)成果

通過采用TSP203 型號(hào)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)隧道里程DK310+530～DK310+403 進(jìn)行探測(cè)，有效探測(cè)距離約127 m。系統(tǒng)儀器布置如圖4 所示，地震原始記錄如圖5、預(yù)報(bào)成果如圖6 所示。

圖4 接收孔和炮孔平面分布以及TSP 系統(tǒng)布置圖

圖5 地震原始記錄

圖6 不同里程掌子面照片

圖6 TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果

由圖5 和圖6 可知：根據(jù)TSP 的巖性力學(xué)參數(shù)變化趨勢(shì)和預(yù)報(bào)結(jié)果二維視圖，可將探測(cè)距離范圍里程劃分為2 個(gè)地質(zhì)巖組，巖性特征和分布情況如下：

（1）DK310+525～DK310+459 段（圖中綠色框線內(nèi)），該段長(zhǎng)約66 m，巖性縱波速度呈反復(fù)上升下降趨勢(shì)，橫波速度和動(dòng)態(tài)楊氏模量呈反復(fù)下降上升趨勢(shì)，泊松比呈上升-下降-上升趨勢(shì)。預(yù)報(bào)推斷：該段圍巖巖質(zhì)軟硬相間，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在軟弱夾層；地下水發(fā)育，其中：DK310+534～DK310+524 段或呈線股狀出水、DK310+497～DK310+490 段呈滲滴狀或線狀出水。建議圍巖級(jí)別劃分為Ⅴ級(jí)。

（2）DK310 +530～DK310 +525 和 DK310 +459～DK310+403，總計(jì)長(zhǎng)約61 m，該段巖性縱橫波速度和動(dòng)態(tài)楊氏模量及泊松比均呈上升趨勢(shì)，且變化幅度較大。預(yù)報(bào)推斷：該段圍巖巖質(zhì)較軟，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育；地下水發(fā)育，或呈股狀出水。建議圍巖級(jí)別劃分為Ⅳ級(jí)。

通過TSP 地震波反射法，可預(yù)測(cè)隧道掌子面前方工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，不良地質(zhì)體位置和規(guī)模等信息。預(yù)報(bào)里程DK310+525～DK310+459，隧道穿越長(zhǎng)約66 m 的FD2 斷層，地下水發(fā)育，可能發(fā)生突水涌泥、圍巖崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)做好防治措施。

2.2.4 綜合預(yù)報(bào)成果

通過綜合地質(zhì)調(diào)查法、超前水平鉆探法和TSP 地震波反射法的預(yù)報(bào)成果，發(fā)現(xiàn)超前水平鉆探法和TSP地震波反射法預(yù)測(cè)結(jié)果高度吻合。

綜合預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)隧道里程DK310+526～DK310+459，長(zhǎng)約67 m，將穿越FD2 斷層，該段巖性為混合巖，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，巖質(zhì)軟硬相間，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育，呈滲滴狀或線狀出水，圍巖級(jí)別劃分為Ⅴ級(jí)。建議施工做好超前支護(hù)，防治突水涌泥、圍巖崩塌等措施。

2.3 隧道開挖驗(yàn)證

在隧道開挖過程中，圍繞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果緊密進(jìn)行開挖揭示情況的跟蹤驗(yàn)證，及時(shí)反饋預(yù)報(bào)里程范圍段內(nèi)不同里程掌子面照片，如圖6 所示

開挖驗(yàn)證揭示：隧道里程DK310+526～DK310+459，長(zhǎng)約67 m，該段為混合巖，局部夾石墨，巖體破碎，巖質(zhì)軟硬不均，節(jié)理裂隙發(fā)育，整體處于FD2 斷層，地下水發(fā)育，掌子面呈滲滴狀和線狀出水。與綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

通過采用地質(zhì)調(diào)查法、超前水平鉆探法和TSP 地震波反射法相結(jié)合的方法對(duì)牡佳高鐵某隧道里程DK310+530 處進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)，主要結(jié)論如下：

（1）地質(zhì)調(diào)查法預(yù)報(bào)距離短，未能揭示斷層穿越位置，為提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，需結(jié)合超前水平鉆探法和TSP 地震波反射法，從中、長(zhǎng)預(yù)報(bào)距離全面覆蓋探測(cè)里程，推測(cè)較為準(zhǔn)確的地質(zhì)信息；

（2）超前水平鉆探法和TSP 地震波反射法都準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了隧道穿越斷層FD2 里程位置和圍巖地質(zhì)信息，通過將2 種預(yù)報(bào)方法結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，極大提高預(yù)報(bào)精度和準(zhǔn)確度；

（3）根據(jù)開挖驗(yàn)證揭示，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)推測(cè)的斷層信息、巖體工程地質(zhì)和水文地質(zhì)信息與開挖結(jié)果高度吻合，是可靠準(zhǔn)確的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段；

（4）本次綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果預(yù)測(cè)斷層信息，成功的為施工開挖工藝的選擇、超前支護(hù)措施的準(zhǔn)備、縮短工期和節(jié)約成本提供強(qiáng)力的地質(zhì)支撐，對(duì)后續(xù)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法選擇和運(yùn)用具有一定參考意義。