許亞軍

（中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津300133）

綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在林家屋基隧道施工中的應(yīng)用

許亞軍*

（中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津300133）

在高風(fēng)險隧道的施工過程中，超前地質(zhì)預(yù)報工作是保證隧道施工安全的重要環(huán)節(jié)和技術(shù)手段。當(dāng)前，國內(nèi)外超前地質(zhì)預(yù)報中均還存在很多難題。結(jié)合林家屋基隧道的施工，詳細(xì)介紹了綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的主要內(nèi)容及其在林家屋基隧道施工中的應(yīng)用情況，望能夠為廣大同行提供有價值的借鑒。

高風(fēng)險隧道；超前地質(zhì)預(yù)報；綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施，公路、鐵路等交通設(shè)施的建設(shè)規(guī)模逐年擴大，其中所涉及到的隧道的長度和埋深都加大了，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，施工的工況越來越惡劣。特別是在我國的西南地區(qū)，由于以巖溶地貌為主，在隧道的施工中經(jīng)常會遇到突泥、突水及巖溶塌方等地質(zhì)災(zāi)害，常常會造成工期的延誤，更有甚者會造成重大的設(shè)備損失和人員傷亡。因此，為了保障隧道安全快速的施工，有效降低施工過程中地質(zhì)災(zāi)害的影響，準(zhǔn)確快速地進行超前地質(zhì)預(yù)報就成為了隧道施工的必然要求。

在以往的隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作中，一般是采用單一的超前地質(zhì)預(yù)報方法，預(yù)報隧道工作面前方的地質(zhì)信息。然而，人們通過長期大量的實踐發(fā)現(xiàn)，僅僅依靠單一預(yù)報方法提供的信息是非常有限的。特別是在高風(fēng)險隧道中，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，單一方法不能提供全面的預(yù)報信息，可能造成地質(zhì)災(zāi)害的漏報和誤報。為了解決單一方法預(yù)報不全面的問題，根據(jù)預(yù)報對象的地質(zhì)特點，采用2種或2種以上有效的預(yù)報手段進行預(yù)報，結(jié)論相互印證，提供更為全面的地質(zhì)預(yù)報信息，這就是綜合超前地質(zhì)預(yù)報。

1　林家屋基隧道概況

林家屋基隧道位于貴州省盤縣境內(nèi)，是滬昆高鐵的重點工程之一。隧道起訖里程為DK925+ 435～DK931+365，全長5930m。隧址區(qū)內(nèi)最高點位于隧道北側(cè)的山頂，海拔高程1780m，最低點位于隧道東側(cè)的溝谷，海拔高程1280m，相對高差500m。隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，集瓦斯、巖溶、斷層破碎帶、軟弱圍巖、危巖、落石于一體，屬高風(fēng)險隧道。隧道洞身穿越多條斷層、節(jié)理密集帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶，施工中容易出現(xiàn)坍塌、涌水、突泥等安全風(fēng)險，隧道涌水量大（預(yù)計隧道正常涌水量為18062m3/d，雨季最大涌水量為39239m3/d）；隧道進口至DK925+930處洞身通過龍?zhí)督M煤系地層，經(jīng)測試，瓦斯壓力最高處達(dá)0.75MPa，為瓦斯突出區(qū)段，施工風(fēng)險極大。

2　林家屋基隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報施工組織

遵循超前地質(zhì)預(yù)報的基本原則，針對林家屋基隧道地質(zhì)復(fù)雜程度高、地質(zhì)災(zāi)害類型多的現(xiàn)狀，并結(jié)合現(xiàn)有各超前地質(zhì)預(yù)報手段的優(yōu)缺點，特此制定了林家屋基隧道的超前地質(zhì)預(yù)報的施工組織方案，如下：

（1）地表調(diào)查：對隧道范圍內(nèi)地形、地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件，不良地質(zhì)作用等進行進一步的全面核查。

（2）洞內(nèi)地質(zhì)素描：對隧道全段（包括正洞和橫洞）進行地質(zhì)素描。

（3）TSP超前探測：采用TSP超前探測，重點查明隧道巖體完整性、軟弱結(jié)構(gòu)面、斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶規(guī)模、大小、發(fā)育位置。對隧道進行貫通性探測。

（4）紅外探測儀超前探測：采用紅外線探測儀對隧道前方掌子面水文地質(zhì)條件進行探測，宏觀掌握掌子面前方短距離（大約30m）范圍內(nèi)的富水帶位置及富水情況。

（5）地質(zhì)雷達(dá)：采用地質(zhì)雷達(dá)對可溶巖段、向斜核部、侵入接觸帶、軟硬巖接觸帶、斷層及其影響帶或TSP超前探測發(fā)現(xiàn)的異常地帶，進行短距離精確探測，精確查明巖溶裂隙發(fā)育位置、大小規(guī)模、形態(tài)、充填及富水狀況以及斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶位置、規(guī)模、接觸帶巖體完整性等工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。沿線隧道均為巖溶隧道，故對各隧道均進行貫通性探測。

（6）超前地質(zhì)鉆孔：對于隧道可溶巖巖溶弱發(fā)育段，采用一孔超前探孔貫通，對于巖溶中等—強烈發(fā)育及復(fù)雜地段（勘察期間發(fā)現(xiàn)的斷層破碎帶、褶皺地段、溝谷地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶、裂隙發(fā)育帶、巖脈出露帶及其他預(yù)報手段探測到的異常地段）必要時采用多孔探測；重點復(fù)雜地段（其他預(yù)報手段探測到的重大異常地段）采用超前地質(zhì)探孔進行超前驗證探測。

（7）地質(zhì)綜合分析：對全隧道進行地質(zhì)素描，記錄現(xiàn)場揭露的地質(zhì)信息，并綜合上述各種探測方法獲得的地質(zhì)信息，通過綜合分析，預(yù)測預(yù)報前方工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。

3　綜合超前地質(zhì)預(yù)報在林家屋基隧道應(yīng)用中的典型工程案例分析

3.1地表調(diào)查及地質(zhì)素描法工程案例

調(diào)查區(qū)域為林家屋基隧道橫洞往出口里程為D1K930+186～+216，為侵蝕、溶蝕構(gòu)造中山溝谷地貌，東高西低，山體高大，地形陡峭，相對高差較大。調(diào)查區(qū)域內(nèi)基巖多裸露，地表上覆粉質(zhì)粘土，下伏基巖為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組一段（T2g1）泥巖夾泥灰?guī)r，地下水類型主要為第四系松散土層孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水，水量貧乏至中等，局部較富水。該段圍巖為泥巖、泥灰?guī)r灰?guī)r、灰?guī)r，弱風(fēng)化，巖體整體較破碎—破碎，巖體強度5～30MPa。巖層層面不清晰，層間結(jié)合較差，巖層產(chǎn)狀N55°W/65°S，節(jié)理發(fā)育，主要發(fā)育兩組節(jié)理J1：N37° E/60°S；J2:N58°W/80°S，節(jié)理間距8～32cm，微張型，無充填。地下水整體不發(fā)育，局部滴滲水（圖1）。

圖1　隧道掌子面D1K930+186處地質(zhì)素描

3.2TSP法工程案例

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設(shè)計的震源點（通常在隧道的左或右邊墻，大約24個炮點）用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質(zhì)。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件處理，可以獲取掌子面前方巖石的彈性模量、密度、泊松比、楊氏模量等參數(shù)，據(jù)此便可了解隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）、位置及規(guī)模等。預(yù)報距離一般為100～150m。

圖2　TSP203原理示意圖

在D1K930+144里程處進行的TSP203探測結(jié)果顯示（見圖2）：D1K930+144～+189段圍巖整體破碎，為軟巖夾較軟巖，軟巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育。其中在D1K930+147～+158及D1K930+162～+189段為溶蝕破碎帶或軟弱夾層；D1K930+189～+243段圍巖整體較破碎，局部破碎，為較軟巖夾軟巖，較軟巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性一般。其中在D1K930+ 202～+220段為軟弱夾層；D1K930+243～+264段圍巖整體較完整，圍巖強度變強，為硬巖夾較軟巖，以硬巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育。其中在D1K930+245～+246段為軟弱夾層。除在D1K930+147、D1K930+189、D1K930+220、D1K930+243附近存在線狀水外，其余地段地下水整體不發(fā)育。

3.3地質(zhì)雷達(dá)法工程案例

地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報屬于短距離預(yù)報，每次預(yù)報距離為30m，搭接5m，采用瑞典MALA-X3M地質(zhì)雷達(dá)探測，本次選取的案例為D1K930+186處施作的探測實例（圖3、圖4），結(jié)果顯示：該段圍巖整體破碎，巖體以軟巖夾較軟巖為主，節(jié)理發(fā)育，巖體穩(wěn)定性較差。其中在D1K930+194～+200及D1K930+205～+214段為節(jié)理密集帶，且在D1K930+193附近發(fā)育一溶蝕裂隙。地下水整體不發(fā)育。

3.4紅外探測法工程案例

紅外探測法是通過分析圍巖的紅外輻射場強值來確定地下水發(fā)育情況的一種預(yù)報方法，主要是通過紅外輻射場強的值的最大差值以及波動情況來判斷地下水的發(fā)育狀況的。在D1K930+186處施作的紅外探測結(jié)果顯示：（1）掌子面巖體上均勻布置20個測點的紅外輻射場強數(shù)值最大值為322μW/cm2，最小值為315μW/cm2，差值為7μW/cm2，小于允許的安全值10μW/cm2；（2）根據(jù)現(xiàn)場所測左邊墻腳、左邊墻、拱頂、右邊墻、右邊墻腳、底板中線的輻射場強值（從掌子面往已開挖段每隔5m布置一個測點）繪制曲線，可以看出：往掌子面方向，紅外輻射場強值曲線起伏較小范圍內(nèi)地下水整體不發(fā)育。

圖3　地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

圖4　地質(zhì)解譯圖

3.5綜合預(yù)報分析結(jié)論

綜合預(yù)報分析就是根據(jù)該段所施做的地質(zhì)素描、TSP、雷達(dá)、紅外探測及超前地質(zhì)鉆探等結(jié)果進行相互比較、驗證和綜合，去偽存真，得到較為可靠的綜合預(yù)報結(jié)論。對本文中的D1K930+186處所施作的地質(zhì)素描、TSP、地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水等預(yù)報手段進行綜合，可以得到以下的預(yù)報結(jié)論：此段30m巖體整體破碎，巖體以軟巖夾較軟巖為主，節(jié)理發(fā)育，巖體穩(wěn)定性較差。其中在D1K930+194～+200段和D1K930+205～+214段為節(jié)理密集帶，且在D1K930+193附近發(fā)育一溶蝕裂隙。除在D1K930+189附近存在線狀或股狀出水外，其余地段地下水整體不發(fā)育。

4　結(jié)束語

（1）由于物探結(jié)果具有多解性，單一預(yù)報方法往往無法全面掌握隧道地質(zhì)信息，采用綜合地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，可以得出較為可靠的結(jié)論，能夠大大減少誤報和漏報情況。

（2）綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)具有綜合探索性、實踐性很強的特點，以地質(zhì)+物探+超前鉆孔組合的方法優(yōu)化了超前地質(zhì)預(yù)報的結(jié)果，消除了單一物探方法帶來的部分誤差，能更準(zhǔn)確地對隧道施工前方不良地質(zhì)體進行預(yù)報，避免盲目施工帶來突水、突泥、危巖垮塌等工程事故，提高施工效率，降低成本。

（3）在施工過程中，要根據(jù)施工揭示情況隨時動態(tài)調(diào)整施工方案，以保證施工安全。

（4）由于物探結(jié)果解譯的準(zhǔn)確性依賴于地質(zhì)工作者的經(jīng)驗，因此，積累大量預(yù)報結(jié)果與開挖后揭示情況的對比資料，建立輔助預(yù)報系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是一個值得探索的方向。

［1］李永鴻，等.地震反射波法技術(shù)及其在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究［J］.巖土工程學(xué)報，2005（10）.

［2］趙永貴，劉浩，孫宇，等.隧道地質(zhì)超前預(yù)報研究進展［J］.地球物理學(xué)進展，2003，18（3）：460-464.

［3］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB10027-2001 J 125-2001鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2001.

［4］葛顏慧，李術(shù)才，等.基于風(fēng)險評價的巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)研究［J］.巖土工程學(xué)報，2010（7）.

［5］王良奎.多種超前地質(zhì)預(yù)報方法在隧道施工中的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2001（11）：45-48.

［6］朱勁，等.Beam超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在銅鑼山隧道中的應(yīng)用［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2007，15（2）.

［7］王洪勇.綜合超前地質(zhì)預(yù)報在圓梁山隧道中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，41（3）：55-61.

［8］王艷芳.超前地質(zhì)預(yù)報在大瑤山隧道施工中的應(yīng)用［C］//2007年全國公路隧道學(xué)術(shù)會議論文集，2007.

U456.3

B

1004-5716（2016）06-0191-03

2016-02-01

2016-02-03

許亞軍（1977-），男（漢族），河南濟源人，高級工程師，現(xiàn)從事地下工程施工監(jiān)測及隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)工作。