隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)及應(yīng)用探討

黃龍 王智

收稿日期：2024-01-29

作者簡介：黃龍（1994—），男，本科，助理工程師，研究方向：工程技術(shù)。

通信作者：王智（1995—），男，本科，助理工程師，研究方向：項(xiàng)目管理。

摘要 為進(jìn)一步提高鐵路工程隧道開挖施工的安全系數(shù)，文章以某山區(qū)鐵路工程隧道施工項(xiàng)目為案例，以地震波反射法（TSP）為基礎(chǔ)，對隧道施工各個主要區(qū)段進(jìn)行探測，并根據(jù)探測到的地震波形和反射面特征，對上述各個區(qū)段的圍巖特征進(jìn)行了全面分析。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)場超前鉆探方法對TSP法的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下：該次超前地質(zhì)預(yù)測中，共計開展40次預(yù)報探測，其中預(yù)報結(jié)果準(zhǔn)確的有29次，相對準(zhǔn)確的有9次，不準(zhǔn)確的有2次，應(yīng)用準(zhǔn)確率達(dá)到95%，說明TSP法獲得較為準(zhǔn)確的探測結(jié)果。

關(guān)鍵詞 隧道施工；超前地質(zhì)預(yù)報；施工技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號 U452.11文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0138-03

0 引言

在當(dāng)前的新建交通工程中，隧道開挖施工已成為重要的施工內(nèi)容。由于隧道開挖施工存在較高的復(fù)雜性，特別是隧道開挖施工通常會打破原有巖石圈應(yīng)力平衡，因此施工過程中的風(fēng)險因素也較為突出。例如塌方、冒頂、巖爆、突水等諸多風(fēng)險，都會影響隧道施工質(zhì)量。因此，為有效規(guī)避隧道項(xiàng)目風(fēng)險，關(guān)鍵在于應(yīng)用隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，及早發(fā)現(xiàn)并解決隧道施工引發(fā)的不良問題，對于鐵路工程開展具有重要意義[1]。

1 項(xiàng)目概況

該研究以某新建鐵路工程為案例，該工程項(xiàng)目穿越大量復(fù)雜地形，并且需在某路段區(qū)間內(nèi)建設(shè)一條單線隧道，該隧道全長約為12.758 km，最小埋深8 m，最大埋深約610 m，整體線路將穿越具有7條斷層結(jié)構(gòu)的灰?guī)r地帶。從前期地質(zhì)勘察結(jié)果分析，該花崗巖地帶存在一定的破碎帶，部分區(qū)間破碎帶寬在150 m以上，斷層破碎帶受地域構(gòu)造的影響較為嚴(yán)重，巖體破碎地下水豐富，拱頂、側(cè)壁易坍塌，易產(chǎn)生坍塌與集中突水情況，總之工程地質(zhì)條件較差。因此，建設(shè)單位決定應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，針對施工環(huán)境進(jìn)行綜合分析。

2 基于地震波反射法的超前地質(zhì)預(yù)報

2.1 隧道圍巖基本分級

開展隧道超前地質(zhì)預(yù)報之前，還要掌握案例工程隧道圍巖情況，選取部分隧道段圍巖情況進(jìn)行分析，根據(jù)路段長度展開設(shè)計，可以使超前地質(zhì)預(yù)測方案更加合理，具體如表1所示。

2.2 探測方案設(shè)計

該次研究主要采用地震波反射法（TSP）進(jìn)行，結(jié)合該隧道工程設(shè)計方案，確定以TSP200超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，具體步驟如下：

（1）使用直徑50 mm的鉆頭，在距離掌子面約57 m處的隧道兩側(cè)邊墻中各打下一個孔深1.8 m的檢波器接收孔，并確保接收孔的相對地面標(biāo)高和向上傾斜度分別為2.5 m和5 °。

（2）使用錨固劑將檢波器套管黏接在圍巖上，使之與接收孔的標(biāo)高相同。

（3）在面向隧道掌子面的左側(cè)邊墻中，依次打設(shè)深度1.5 m左右的爆破孔，其中第一個爆破孔距離接收孔約24 m，垂直隧道邊墻進(jìn)行布置，保證爆破孔向下傾斜6 °左右，各孔距離地面高度如下：第1～2個爆破孔約2.5 m，第3～10個爆破孔約0.8 m，第11～20個爆破孔約3.5 m。

（4）測線和測點(diǎn)全部布置完成后，將起爆線、檢波器和終端設(shè)備進(jìn)行連接，而后從第20個起爆點(diǎn)開始作業(yè)，逐一進(jìn)行，直至第1個起爆點(diǎn)作業(yè)完成為止，在終端設(shè)備上對檢測到的信號進(jìn)行采集。

2.3 探測結(jié)果分析

在采集到各個起爆點(diǎn)的信號后，使用TSPwin軟件對原始信號進(jìn)行處理，得到探測區(qū)域各個主要區(qū)段的測試結(jié)果。

針對該次隧道工程中DK226+009～DK226+129區(qū)段的探測結(jié)果，具體如圖1所示。

通過分析圖1中的解譯結(jié)果，進(jìn)一步對目標(biāo)區(qū)段進(jìn)行分段解譯，結(jié)果如下：

（1）在DK226+009～DK226+026分段中，縱橫波速度和密度均表現(xiàn)為波動上升的特征，且波動幅度較高，反射面的面積較小。初步推斷，上述特征表明該段圍巖巖質(zhì)軟硬相間，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，局部洞段有軟弱破碎結(jié)構(gòu)及溶洞發(fā)育。同時，由于該區(qū)段P波速度與S波速度的比值同樣波動明顯，因此推斷該區(qū)域地下水發(fā)育程度較高。

（2）在DK226+026～DK226+129區(qū)段中，縱橫波速度和密度的波動不顯著，整體線條較為平直，而反射面面積則高于前述區(qū)段，據(jù)此初步推斷，該段圍巖主要表現(xiàn)為堅(jiān)硬巖質(zhì)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，局部洞段結(jié)構(gòu)面發(fā)育密集。同時，由于P波速度與S波速度的比值也未見顯著波動，因此可推斷出該區(qū)段地下水發(fā)育程度較弱，僅存在輕微濕潤的局部巖體。

隨后對DK222+832～DK222+952段的探測結(jié)果進(jìn)行解譯，對該區(qū)段進(jìn)行更為詳細(xì)的分析，得到分析結(jié)果如下：

1）在DK222+832～DK222+860區(qū)段內(nèi)，表現(xiàn)為縱橫波速度和密度均較為平直的特征，未見顯著波動，且反射面較少，據(jù)此推斷，該區(qū)段表現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)軟弱和較為破碎的圍巖，節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，且節(jié)理裂隙中存在泥質(zhì)充填的特征。同時，由于該區(qū)段P波速度與S波速度的比值也未見顯著波動，因此推斷該區(qū)域地下水發(fā)育程度較低，基本不存在浸潤巖體[2]。

2）在DK222+860～DK222+892區(qū)段內(nèi)，發(fā)現(xiàn)縱橫波與密度的顯著波動變化，且反射面也較多，因此推斷該區(qū)段表現(xiàn)為軟硬相間的圍巖層，且?guī)r體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育程度也較高。同時，對該區(qū)段的波形特征作進(jìn)一步細(xì)分后發(fā)現(xiàn)，在DK222+879～DK222+892區(qū)段內(nèi)的波形起伏變化更為突出，且反射面密集程度也凸顯，因此推斷該區(qū)段存在較為典型的巖溶侵蝕溝槽特征。另外，該區(qū)段P波速度與S波速度的比值同樣波動起伏，因此推斷該區(qū)段內(nèi)存在較高的富水性。

3）在DK222+892～DK222+952區(qū)段內(nèi)，其縱波速度與密度略高于掌子面處的值，反射面較少，推斷該段圍巖巖質(zhì)較為堅(jiān)硬，完整度也較高，具有較優(yōu)的穩(wěn)定性。同時，該區(qū)段內(nèi)未見S波的反射，因此推測該段地下水不發(fā)育[3]。

3 工程地質(zhì)條件超前預(yù)報驗(yàn)證結(jié)果及討論

為進(jìn)一步驗(yàn)證TSP的超前預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性，引入現(xiàn)場超前地質(zhì)鉆探方法，對已進(jìn)行TSP探測和解譯區(qū)段進(jìn)行驗(yàn)證，對該次應(yīng)用TSP進(jìn)行鉆探的區(qū)段進(jìn)行探測，得到以下幾方面的現(xiàn)場鉆探結(jié)果：

（1）基于1號鉆孔對DK226+009～DK226+129區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場鉆探后，結(jié)果顯示，該區(qū)段圍巖主要巖性為石灰?guī)r，表現(xiàn)出弱風(fēng)化狀態(tài)，巖質(zhì)總體較為堅(jiān)硬，但相對較為破碎且存在節(jié)理裂隙的明顯發(fā)育。同時，從圍巖裂隙中可觀察到點(diǎn)狀和線狀出水，部分節(jié)點(diǎn)存在股狀出水，可在此類節(jié)點(diǎn)上觀察到少量類似溶洞的結(jié)構(gòu)，這與基于TSP的探測解譯結(jié)果基本相符[4]。

（2）基于2號鉆孔對DK222+832～DK222+952區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場鉆探后，結(jié)果顯示，該區(qū)段的圍巖巖性表現(xiàn)為泥巖和石灰?guī)r夾雜出現(xiàn)的特征，使得巖質(zhì)呈現(xiàn)出軟硬相間的特點(diǎn)；從節(jié)理裂隙發(fā)育程度來看，該區(qū)段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育程度普遍偏高，導(dǎo)致巖體破碎程度也較高，部分巖溶裂隙帶出現(xiàn)碎石掉落的情況，且存在小股涌水，這與基于TSP的探測解譯結(jié)果也基本相符。這也證明了該次基于TSP的超前預(yù)報技術(shù)模式的準(zhǔn)確性。

在確定該次以TSP為基礎(chǔ)的超前預(yù)報技術(shù)模式符合要求后，對各個細(xì)分區(qū)段的探測結(jié)果進(jìn)行整理，具體如表2所示。

表2 各區(qū)段的探測解譯結(jié)果

探測區(qū)段 探測解譯結(jié)果

DK226+009～

DK226+026 圍巖巖質(zhì)軟硬相間，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，局部洞段有軟弱破碎結(jié)構(gòu)及溶洞發(fā)育

DK226+026～

DK226+129 堅(jiān)硬巖質(zhì)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，局部洞段結(jié)構(gòu)面發(fā)育密集，地下水發(fā)育程度較弱

DK222+832～

DK222+860 力學(xué)性質(zhì)軟弱和較為破碎的圍巖，節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，且節(jié)理裂隙中存在泥質(zhì)充填，但地下水發(fā)育程度較低

DK222+860～

DK222+892 軟硬相間的圍巖層，且?guī)r體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育程度也較高，局部巖溶侵蝕溝槽特征，富水性也較高

DK222+892～

DK222+952 巖質(zhì)較為堅(jiān)硬，完整度較高，地下水基本不發(fā)育

基于各區(qū)段探測解譯結(jié)果及其存在的差異，對相應(yīng)區(qū)段后續(xù)的施工作業(yè)提出如下建議：

（1）針對DK226+009～DK226+026段，由于存在較為破碎的巖體和一定的節(jié)理裂隙發(fā)育，且局部存在溶洞，因此需要在目標(biāo)區(qū)段內(nèi)進(jìn)一步布置加深炮孔或超前鉆探。

（2）針對DK226+026～DK226+129區(qū)段，巖體破碎，強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性較差，但地下水基本不發(fā)育，因此需要注意加強(qiáng)支護(hù)，以避免洞頂出現(xiàn)掉塊或局部坍塌等風(fēng)險。

（3）針對DK222+832～DK222+860段，其與（2）區(qū)段中特征基本類似，但多出了泥巖充填物的存在，建議后續(xù)施工過程中優(yōu)先對節(jié)理裂隙進(jìn)行針對性的加固，而后再采取相應(yīng)的支護(hù)作業(yè)。

（4）針對DK222+860～DK222+892段，由于其同時存在巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育和高富水性等風(fēng)險特征，因此應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步布置加深炮孔或超前鉆探，并根據(jù)后續(xù)鉆探結(jié)果采取針對性的降排水和支護(hù)措施。

（5）DK222+892～DK222+952段風(fēng)險程度相對較低，使用常規(guī)支護(hù)模式即可。

最后對TSP技術(shù)方法應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)，具體如表3所示。由表3可知，在該次超前地質(zhì)預(yù)測中，共計開展40次預(yù)報探測，其中預(yù)報結(jié)果準(zhǔn)確的有29次，相對準(zhǔn)確的有9次，不準(zhǔn)確的有2次，應(yīng)用準(zhǔn)確率達(dá)到95%，說明該技術(shù)對于隧道施工安全具有保障作用。

表3 超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用效果

預(yù)報準(zhǔn)確程度 探測次數(shù) 占據(jù)比例/%

準(zhǔn)確 29 72.50

相對準(zhǔn)確 9 22.50

不準(zhǔn)確 2 5.00

4 結(jié)束語

整體來看，該文針對某鐵路工程隧道施工中可能存在的風(fēng)險因素，以地震波反射法為基礎(chǔ)，進(jìn)行隧道施工超前預(yù)報技術(shù)模式應(yīng)用。基于地震波反射法的隧道施工超前預(yù)報技術(shù)，在探測解譯的準(zhǔn)確性方面具有優(yōu)勢，應(yīng)用結(jié)果如下：該次超前地質(zhì)預(yù)測中，共計開展40次預(yù)報探測，其中預(yù)報結(jié)果準(zhǔn)確的有29次，相對準(zhǔn)確的有9次，不準(zhǔn)確的有2次，應(yīng)用準(zhǔn)確率達(dá)到95%，說明TSP法獲得較為準(zhǔn)確的探測結(jié)果，能夠?yàn)樗淼拦こ添樌_展提供保障。

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