韓峰

（中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 概述

近年來隨著國家“一帶一路”倡議的深入實施，公路和鐵路等基礎交通建設不斷深入復雜多變的地質(zhì)環(huán)境，給予隧道工程的發(fā)展帶來了更多機遇與挑戰(zhàn)。因此，開展隧道超前地質(zhì)預報工作，精準全面地探測隧道掌子面前方圍巖地質(zhì)特征及地下水賦存狀況，對隧道工程災害防治和安全施工具有重要意義。

目前，常應用于隧道工程領域的超前地質(zhì)探測方法有地質(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)境復雜多變，采用單一預測方法難以達到預期效果，預報結(jié)果也往往難以令人滿意。為克服此關鍵難題，近些年越來越多學者專注于隧道工程領域綜合超前地質(zhì)預報的研究[1-5]。另外，針對復雜地質(zhì)條件下的不良地質(zhì)體的預報研究較少，其空間位置、形狀和規(guī)模大小預報精度欠缺。鑒于此，依托地質(zhì)條件極為復雜的陽宗隧道，以地質(zhì)調(diào)查法為基礎，建立綜合超前地質(zhì)預報體系，精準預報掌子面前方不良地質(zhì)，指導陽宗隧道安全高效施工。

2 綜合超前地質(zhì)預報體系構(gòu)建

通過查閱文獻對單一超前地質(zhì)探測方法分析可知，每種方法都有各自的優(yōu)勢與缺點，決定了各種探測方法的適用條件、適用范圍和使用前提不盡相同。因此，針對復雜地質(zhì)條件下隧道超前地質(zhì)探測，合理選擇預報方法、制定超前地質(zhì)探測體系對隧道安全施工至關重要。本文根據(jù)陽宗隧道地質(zhì)條件特點，提出了以“地質(zhì)調(diào)查法為基礎，長距離與中短距離相結(jié)合的多種物探法為主，超前鉆探法驗證”的綜合超前地質(zhì)預報體系，探測流程如圖1 所示。

圖1 綜合超前地質(zhì)探測體系流程圖

3 工程應用實例

3.1 工程概況

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

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；下伏基巖時代較為復雜。根據(jù)區(qū)域資料結(jié)合現(xiàn)場調(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斷裂，穿過8 個斷層破碎帶，且區(qū)域水文地質(zhì)條件較為復雜，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。

當陽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，以強風化白云質(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程發(fā)生突水、涌泥、大變形和圍巖塌方等重大災害，應及時開展掌子面前方地質(zhì)探測工作，了解并掌握斷層的位置、規(guī)模及富水情況，便于及時采取下步施工措施。

圖2 左幅ZK42+845 掌子面地質(zhì)素描圖

3.2 綜合超前地質(zhì)預報應用

3.2.1 地質(zhì)調(diào)查法

通過對陽宗隧道左線ZK42+845～ZK42+945 段掌子面圍巖觀察與探測，判定此段以強風化白云質(zhì)灰?guī)r為主，巖質(zhì)軟弱、破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，且掌子面呈點滴狀滲水。

3.2.2 TSP 法

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

圖3 TSP 超前地質(zhì)預測結(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。推測本段圍巖為強風化白云質(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，推測本段圍巖為強～中風化白云質(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)負反射，反射面稍多。推測本段溶蝕裂隙發(fā)育，富水性較強，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，推測本段圍巖為中風化白云巖、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)嚴重掉塊情況。

3.2.3 GPR 法

采用瑞典的RAMAC/X3M 型地質(zhì)雷達，采集方式為剖面法，點觸發(fā)，使用時設為100MHz 中心頻率的屏蔽天線，時窗為600ns，采樣點為1024MHz，點距為0.1m，迭加次數(shù)為128 次。圖4 為掌子面ZK42+845 處地質(zhì)雷達探測剖面圖。

圖4 GPR 法地質(zhì)雷達探測剖面圖

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

3.2.4 TEM 法

采用武漢長盛工程檢測技術開發(fā)有限公司瞬變電磁YCS400-Z。探測測線布置在陽宗隧道進口左幅ZK42+845 掌子面及兩側(cè)幫，共布置測點14 個，每個點測3 個方向，共45 個數(shù)據(jù)，見圖5 所示。設計探測方向與隧道頂板所在巖層呈45°左右夾角向上探測、順巖層方向探測、探測方向與巖層底板45°左右夾角向底板探測。采用多匝線框，小回線量測，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 掌子面超前探測方向布置示意圖

探測剖面分為上、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 段呈相對低阻反映；右側(cè)60°～75°方向，ZK42+880～ZK42+955 段呈相對低阻反映，推測該段富水性較強。掌子面正前方左側(cè)0°～30°方向，ZK42+845～ZK42+880 段呈相對低阻反映，推測該段富水性較強；掌子面正前方向下30°方向，左側(cè)0°～15°，ZK42+845～ZK42+870 段呈相對低阻反映，右側(cè)15°方向，ZK42+845～ZK42+865 段呈相對低阻反映，推測該段富水性較強。

圖6 TEM 探測結(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，ZK42+880～ZK42+955 段段右側(cè)富水性較強，水量稍大，施工需密切注意地下水情況，加強截排水工作。

3.2.5 超前鉆探

在上述物探預報結(jié)果綜合分析基礎之上，確定陽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的安全性，更加直觀可見、準確地反映探測結(jié)果，確定在掌子面ZK42+845 處布置超前水平鉆探，施作3 個超前鉆孔，深度為30m。采用具有取芯功能的超前水平鉆機，并配有孔內(nèi)成像儀進行孔內(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)，探測距離長，探測結(jié)果直觀，可以有效探測巖體破碎段。

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

4.3 TEM 法對低電阻率目標體反應靈敏，可準確探測掌子面前方富水區(qū)域，精準探測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證，減少單一方法的不準確性與誤報漏報，提高隧道超前地質(zhì)探測的可靠性，并采用超前地質(zhì)鉆探驗證，為隧道施工安全提供可靠保障。