葉齊鵬

中交一公局集團有限公司，中國·北京 100024

1 工程概況

東天山特長隧道起點位于松樹塘滑雪場西側(cè)，隧道全長11769.5m，采用分離式雙向四車道。左線長度11767m，右線長度11775m。主洞隧道內(nèi)縱坡為＋0.5%及-1.67%。隧道主洞斷層總長度為660m，斷層帶左右洞凈距34.64m，最大埋深577m，最小埋深494m。穿越斷裂帶時，圍巖自穩(wěn)能力差，易產(chǎn)生塑性變形，成洞困難，隧道開挖拱部不及時支護易產(chǎn)生坍塌，側(cè)壁極易產(chǎn)生坍塌，需要超前地質(zhì)預報情況采用不同的加強支護措施，文章以該工程為例，重點對隧道穿越地層破碎帶超前地質(zhì)預報方式進行探討[1]。

2 水文地質(zhì)情況

2.1 水文

隧址區(qū)地表水多為雨季雨水沿山坡兩側(cè)匯集徑流，多屬季節(jié)性溪流，水量較小。地下水按儲藏條件及水動力特性可分為松散層孔隙水和基巖裂隙水兩個類型。松散層孔隙水主要由降水、冰雪融水或地下水補給?；鶐r裂隙水為各種巖性的構(gòu)造裂隙水和風化裂隙水，構(gòu)造裂隙水含水層均一性較差，呈層間裂隙水或脈狀裂隙水，具承壓性；當滲水壓力或水位變化時，可產(chǎn)生動水壓力，易導致邊坡基巖崩塌。在寒冬條件下基巖裂隙水可在地表結(jié)冰。隧道進口F2 斷層帶測的泉水流量為1.5L/s，為賦水斷層。

2.2 地質(zhì)

斷層帶位于巴里坤塔格北麓，由巴里坤南向東延伸，斷裂帶全長110Km，斷面略具波狀，走向292°，傾向南傾，傾角65°～80°，具明顯的逆沖斷裂性質(zhì)。斷層帶組成物質(zhì)為糜棱巖、片狀巖及巖塊等，膠結(jié)較為緊密，斷層面彎曲，粗糙，該斷層破碎帶具低阻異常特征，說明該斷裂帶巖體破碎且相對富水，斷裂寬度幾十米至數(shù)百米不等，與隧道相交處斷層破碎帶寬約320m。斷層兩側(cè)地層為泥盆系中統(tǒng)大南湖組第五亞組地層，巖性主要為不均勻互層凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖等，薄層結(jié)構(gòu)，巖體破碎，裂隙發(fā)育[2]。

3 超前地質(zhì)預報方法

3.1 目的和目標

超前地質(zhì)預報的目的是在施工前期地質(zhì)勘查成果的基礎(chǔ)上，進一步查明掌子面前方一定范圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)條件，超前探測地層巖性、軟弱層的位置、巖體完整程度、斷裂帶位置、寬度、破碎程度、富水性，等不良地質(zhì)以及隱伏的重大地質(zhì)問題。重點預報突水突泥及斷層破碎帶等不良地質(zhì)的具體位置、規(guī)模及影響程度，控制掌子面前方30m 范圍內(nèi)不良地質(zhì)體預報。預報突水突泥及斷層破碎帶具體位置及可能帶來的災(zāi)害程度，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風險，提供必要的地質(zhì)參數(shù)，進一步確定保證圍巖穩(wěn)定性的工程措施及合理的施工方法；優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，確保施工安全；為編制竣工文件提供可靠的地質(zhì)文件。其中，表1為超前地質(zhì)預報主要項目表。

表1 超前地質(zhì)預報主要項目表

3.2 地質(zhì)素描

地質(zhì)素描是對已開挖掌子面的地質(zhì)狀況作如實的調(diào)查，并進行詳細編錄，采集必要的數(shù)據(jù)。具體包括：對掌子面地層巖性、節(jié)理發(fā)育程度、受構(gòu)造影響程度、圍巖穩(wěn)定狀態(tài)等進行詳細編錄。其中，表2為地質(zhì)素描的方法及預報成果表。

表2 地質(zhì)素描的方法及預報成果表

3.3 TSP 超前地質(zhì)預報系統(tǒng)

TSP 超前地質(zhì)預報系統(tǒng)是專門為隧道和地下工程超前地質(zhì)預報研制開發(fā)的，可方便快捷地預報掌子面前方100～200m 范圍內(nèi)的斷層破碎帶、軟弱地層等不良地質(zhì)情況提供了一種強有力的方法和工具，通過超前地質(zhì)預報提前了解掌子面前方的地質(zhì)變化情況，合理安排掘進速度，及時優(yōu)化施工方案，加強防護措施，從而能夠確保安全、順利地通過不良地質(zhì)地段。

TSP 超前地質(zhì)預報系統(tǒng)測線布設(shè)在掌子面附近的邊墻上，它由兩個接收器孔和24 個炮孔組成，兩個接收器孔對稱分布在兩邊墻，24 個炮孔等間距布置在兩側(cè)邊墻。在數(shù)據(jù)采集前，鉆孔、接收傳感器套管的安裝，以及接收器孔、炮孔傾角傾向和各孔距基準點距離的測量要先期完成。

由于這些準備工作不影響正常施工，因此可與隧道施工作業(yè)同時進行。當正式爆破采集數(shù)據(jù)時，洞內(nèi)一切施工必須停止，以確保采集到的數(shù)據(jù)盡可能少的受外界噪聲的干擾。在數(shù)據(jù)采集時，相互間要做好配合，以減少對施工的影響。在熟練的情況下，數(shù)據(jù)采集時間可控制在1h 以內(nèi)。其中，表3為TSP 預測的方法及預報成果表。

表3 TSP 預測的方法及預報成果表

3.4 地質(zhì)雷達預報

應(yīng)用電磁波反射原理進行探測，通過測定與巖溶含水性有關(guān)的介電常數(shù)的變化來探測充水的地質(zhì)體，如含水的斷層、巖性界面等。

采用地質(zhì)雷達對巖性結(jié)構(gòu)變化進行短距離（10～40m 以內(nèi)）的精確預報。地質(zhì)雷達作為TSP 超前地質(zhì)預報的補充，在高水壓地段對TSP 預報的異常點進行補充探測。例如，確定異常體的規(guī)模、性質(zhì)、危害等有困難時采用地質(zhì)雷達進行補充探測，同時地質(zhì)雷達用于隧道底部、邊墻、隧頂外或其他出水部位可能隱伏洞穴的探測，效果較好。其中，表4為地質(zhì)雷達預報方法和預報成果表地質(zhì)雷達預報方法和預報成果表。

表4 地質(zhì)雷達預報方法和預報成果表

3.5 紅外探水

紅外探水測量速度快，基本不占用工序時間。資料分析快，測量完畢，即可得出初步結(jié)論，編寫報告可在2h 內(nèi)完成。紅外探水有較高的準確率，但是它對水量、水壓等重要參數(shù)無法預報?？闪私饩蜻M前方20 ～30m 范圍內(nèi)，是否存在隱伏水體、是否存在含水斷層、是否存在含水破碎帶。用紅外探測屬非接觸探測，在隧道壁上定探點，使用儀器的激光器在壁上打出一個紅色斑點。定好探點后扣動扳機，就可在儀器屏幕上讀取探測值。

探測數(shù)據(jù)輸入計算機后，由專用軟件繪成頂板探測曲線、兩壁探測曲線。根據(jù)探測曲線特征判斷含水構(gòu)造或含水體的潛在危害。當紅外探測發(fā)現(xiàn)前方存在含水構(gòu)造時，通過高密度電法電測解決前方含水構(gòu)造至掌子面距離和給出破碎帶的寬度。

3.6 超前鉆探

超前鉆探的主要作用之一是通過鉆探給出前方含水構(gòu)造的涌水量。由于涌水量與水源有關(guān)、與水頭壓力有關(guān)、與爆破后出水斷面大小有關(guān)，因而目前所有物探儀器均不能確定涌水量的大小。

圖1 正洞超前地質(zhì)探孔布置圖

通過鉆探，當水量很小時，可繼續(xù)掘進；當水量超過排水能力時，就注漿堵水。探孔打設(shè)每次30m，搭接5m。

3.7 超前地質(zhì)預報及類型

隧道的超前地質(zhì)預報主要采用地質(zhì)調(diào)查、加深炮孔探測、地震波探測、紅外探測和超前鉆孔探測等手法進行預報，對重點地段和地震波探測異常地段，采用超前鉆孔等方法加強探測和驗證，超前預報的類型和采取的方法如表5所示。

表5 超前地質(zhì)預報積累性

續(xù)表5

3.8 超前地質(zhì)長期預報和短期預報方法

如表6所示，長期預報和短期預報相結(jié)合，采用TSP超前地質(zhì)預報系統(tǒng)進行長距離宏觀控制，紅外探水連續(xù)實施，地質(zhì)雷達進一步強化、補充和驗證，加大超前水平鉆探和孔內(nèi)數(shù)碼成像的力度，加強常規(guī)地質(zhì)綜合分析，把發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率降至最低[3]。

表6 長期預報和短期預報方法表

4 結(jié)論

東天山特長隧道穿越斷層破碎帶時，針對斷層破碎帶、巖溶地質(zhì)、軟弱夾層不良地質(zhì)體，在結(jié)合大量以往的工程預報實例的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實際情況總結(jié)出具有針對性的超前地質(zhì)預報實施方案，并將方案應(yīng)用于實際工程中的效果進行分析，驗證方案的可靠性。通過努力，順利從該破碎帶穿過，為今后類似的隧道工程超前地質(zhì)預報工作提供有力參考。