舒 森 王樹棟

(中鐵二院地勘巖土工程有限責(zé)任公司,四川成都 610031)

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就是在分析既有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,采用地質(zhì)調(diào)查、物探、超前地質(zhì)鉆探、超前導(dǎo)坑等手段,對(duì)隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置、產(chǎn)狀、規(guī)模等,進(jìn)行探測、分析解譯和預(yù)報(bào),并提出技術(shù)措施建議[1]。

目前隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要分為：地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法、超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法四大類。使用單一的預(yù)報(bào)方法進(jìn)行預(yù)報(bào),往往有其局限性,并不能達(dá)到最好效果。而只有根據(jù)探測地質(zhì)體的實(shí)際情況,選擇搭配不同方法進(jìn)行隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào),對(duì)比預(yù)報(bào)成果,才能得到最佳的預(yù)報(bào)信息,給施工起到有效的預(yù)警作用。

實(shí)例主要使用的是超前鉆探法、物探法這兩種方法。而針對(duì)隧道地質(zhì)狀況,物探法使用了可控源音頻大地電磁法、高密度電法、彈性波反射法(TSP法)。

1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法是利用常規(guī)地質(zhì)理論和作圖法,根據(jù)隧道已有勘察資料、地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查資料、洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查資料、隧道開挖工作面地質(zhì)素描,通過地層層序?qū)Ρ?、地層分界線及構(gòu)造線地下和地表相關(guān)性分析、斷層要素與隧道幾何參數(shù)的相關(guān)性分析、地質(zhì)作圖和趨勢分析、隧道內(nèi)不良地質(zhì)體臨近前兆分析等,推測開挖工作面前方可能揭示的地質(zhì)情況,進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào),如地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)及特殊地質(zhì)等[1]。在隧道埋深淺和地質(zhì)結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的情況下具有較高準(zhǔn)確性。但在隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜地區(qū)和深埋隧道的情況下,其難度較大,工作準(zhǔn)確性難以保證[2]。

1.2 超前鉆探法

超前鉆探法是利用鉆機(jī)在隧道開挖工作面進(jìn)行鉆探獲取地質(zhì)信息的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。適用于各種地質(zhì)條件下隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào),宜在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發(fā)育區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)、重大物探異常區(qū)等地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)采用。它可以比較直觀地探明鉆孔所經(jīng)過部位的地層巖性、巖體完整程度、巖溶及地下水發(fā)育情況等,但其費(fèi)用高、速度慢、占用隧道施工時(shí)間長。由于鉆孔主要顯示的是某一點(diǎn)的信息,所以對(duì)斷層等面狀構(gòu)造一般會(huì)有較好效果,但對(duì)溶洞有漏報(bào)的可能[1]。

1.3 超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法

超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法是以超前導(dǎo)坑中揭示的地質(zhì)情況,通過地質(zhì)理論和作圖法預(yù)報(bào)正洞地質(zhì)條件的方法,可分為平行超前導(dǎo)坑法、正洞超前導(dǎo)坑法,以先行開挖的隧道預(yù)報(bào)后開挖的隧道地質(zhì)條件。適用于各種地質(zhì)情況,由超前導(dǎo)坑地質(zhì)情況推測未開挖地段隧道地質(zhì)條件,超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法對(duì)煤層、斷層等面狀結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確,對(duì)巖溶等有預(yù)報(bào)不準(zhǔn)的可能[1]。

1.4 物探法

物探法是當(dāng)探測對(duì)象與其相鄰介質(zhì)存在的一定物性差異,并具有足以被探測的規(guī)模時(shí)使用。在地質(zhì)條件復(fù)雜的工點(diǎn)和存在多種干擾因素的工點(diǎn),應(yīng)充分利用被探測對(duì)象的物性條件,積極開展綜合物探[2]。物探方法用時(shí)少、費(fèi)用低,但由于物探反演的多解性,也存在預(yù)報(bào)不足的情況。

實(shí)例中使用的物探方法是可控源音頻大地電磁法、高密度電法和彈性波反射法(TSP法)。

(1)可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是利用人工場源激發(fā)地下巖石,在電流流過時(shí)產(chǎn)生的電位差,接收不同供電頻率形成的一次場電位,由于不同頻率的場在地層中的傳播深度不同,所反映深度也就與頻率構(gòu)成一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系,不同電導(dǎo)率的巖石在電流流過時(shí)所產(chǎn)生的電位和磁場是不同的,CSAMT方法就是利用不同巖石的電導(dǎo)率差異觀測一次場電位和磁場強(qiáng)度變化的一種電磁勘探方法。CSAMT特點(diǎn)主要是勘探深度范圍大,分辨力較高,低阻敏感性好,地形影響小,場源影響小,抗干擾能力強(qiáng),設(shè)計(jì)靈活,高效便捷[3]。盡管CSAMT方法具有不少優(yōu)點(diǎn),但也還存在一些缺點(diǎn),比如靜態(tài)效應(yīng)、近場效應(yīng)等[4]。CSAMT野外工作布置圖見圖1。

圖1 CSAMT法野外工作布置(單位：km)

(2)高密度電法

高密度電法指的是直流高密度電阻率法,以巖石的電性差異(即電阻率差異)為基礎(chǔ)。高密度電阻率法實(shí)際上是一種陣列勘探方法,野外測量時(shí)只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點(diǎn)上,然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測儀便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。最后通過電阻率差異來判斷勘察地區(qū)的地質(zhì)情況[5]。高密度電法特點(diǎn)是適用性廣,快捷且具有較高精度。但容易受地形的影響、旁側(cè)影響,探測范圍有限,多解性。

(3)彈性波反射法

彈性波反射法利用人工激發(fā)的地震波、聲波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性,預(yù)報(bào)隧道開挖工作面前方的地質(zhì)情況。彈性波反射法適用于劃分地層界線,查找地質(zhì)構(gòu)造,探測不良地質(zhì)體的厚度和范圍[1]。實(shí)例中具體使用的是 TSP法,全稱為隧道地震波法(Tunnel Seismic Prediction),其原理是通過小藥量爆破所產(chǎn)生的地震波信號(hào)沿隧道方向以球面波的形式傳播,在不同的巖層中地震波以不同的速度傳播,在其界面處被反射,并被高精度的接收器接收。通過計(jì)算機(jī)軟件分析前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等,最終在顯示屏上顯示各種圍巖構(gòu)造界面與隧道軸線相交所呈現(xiàn)的角度及距工作面的距離,并可初步測定巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)以供參考[6]。該法具有用時(shí)短,費(fèi)用低,對(duì)影響隧道施工小,探測距離較長,但易受采集條件影響,影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,對(duì)三維空間個(gè)體探測可能不足。TSP法探測示意見圖2。

圖2 TSP系統(tǒng)探測示意

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某隧道位于我國西部,地處剝蝕構(gòu)造中山地貌。緩坡和低洼地帶分布第四系全新統(tǒng)松散土層,下伏基巖為二疊系玄武巖夾凝灰?guī)r,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,完整性較差,全風(fēng)化帶及強(qiáng)風(fēng)化帶厚,且全風(fēng)化帶具中—強(qiáng)膨脹性。地下水主要為二疊系玄武巖夾凝灰?guī)r中的基巖裂隙水。DIK59+650～DIK59+900段中獨(dú)木橋南斷層交隧道軸向于DIK59+670～DIK59+690段,圍巖設(shè)計(jì)級(jí)別為Ⅴ級(jí),其余部分為Ⅲ級(jí),圍巖為玄武巖夾凝灰?guī)r,弱風(fēng)化帶,已開挖部分圍巖破碎、含水。如圖3所示。

圖3 地質(zhì)縱斷面

2.2 超前鉆探法結(jié)論

通過超前鉆探,在不同位置得到的巖樣破碎程度及鉆孔中水的流量,結(jié)合鐵路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7],對(duì)隧道未開挖部分圍巖級(jí)別進(jìn)行劃分：DIK59+650～DIK59+660段為 Ⅳ級(jí)；DIK59+799.6～DIK59+814.5段為Ⅳ級(jí)；DIK59+814.5～DIK59+838.8段為Ⅴ級(jí)；DIK59+838.8～DIK59+868.2段為Ⅳ級(jí)；DIK59+868.2～DIK59+900段為Ⅴ級(jí)。

2.3 可控源音頻大地電磁法結(jié)論

通過CSAMT工作得到成果圖(見圖4),結(jié)合對(duì)應(yīng)地質(zhì)信息與判釋標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為在DIK59+650～DIK59+900段圍巖為含水、較軟弱或較破碎,富水、軟弱、破碎或含暗色礦物的巖體,特別是在DIK59+760～DIK59+875段視電阻率(ρs)值極低,一般小于60 Ω?m,推測圍巖為富水、軟弱、破碎或含暗色礦物(如鐵、鎂等低阻礦物)的巖體,施工中要預(yù)防涌水或塌方。結(jié)合鐵路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7],對(duì)隧道未開挖部分圍巖級(jí)別進(jìn)行劃分：DIK59+650～DIK59+760段為Ⅳ級(jí)；DIK59+760～DIK59+875段為 Ⅴ級(jí)；DIK59+875～DIK59+900段為Ⅳ級(jí)。

圖4 可控源音頻大地電磁勘探成果

2.4 高密度電法結(jié)論

通過高密度電法工作得到成果圖(見圖5),結(jié)合對(duì)應(yīng)地質(zhì)信息與解譯標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為在DIK59+650～DIK59+900范圍內(nèi)DIK59+650～DIK59+760段,由于視電阻率主要在60～900Ω?m之間且受構(gòu)造影響嚴(yán)重,巖石破碎,地下水豐富,呈線流、雨淋、股狀涌水。圍巖穩(wěn)定性差,特別是凝灰?guī)r夾層遇水軟化易坍塌；在DIK59+760～DIK59+900段內(nèi)視電阻率大于1 800Ω?m,受構(gòu)造影響嚴(yán)重,地下水豐富,呈滴水—雨淋狀,圍巖穩(wěn)定性一般,拱部無支護(hù)會(huì)出現(xiàn)坍塌。結(jié)合鐵路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7],對(duì)隧道未開挖部分圍巖級(jí)別進(jìn)行劃分。DIK59+650～DIK59+760段：Ⅴ級(jí)；DIK59+760 ～DIK59+900段 ：Ⅳ級(jí)。

圖5 高密度電法勘探成果

圖6 TSP 2D成果

2.5 彈性波反射法結(jié)論

使用TSP203進(jìn)行幾次探測,通過數(shù)據(jù)處理,可以得到一系列數(shù)據(jù)成果(如圖6和圖7),結(jié)合開挖地質(zhì)資料可以得到：DIK59+650～DIK59+678段圍巖破碎,富水；DIK59+678～DIK59+722段圍巖極破碎,推測為獨(dú)木橋南斷層及其影響帶,富水；DIK59+722～DIK59+750段圍巖破碎,富水；DIK59+750～DIK59+785段圍巖破碎,含水；DIK59+785～DIK59+846段圍巖破碎,含水；DIK59+846 ～DIK59+855段圍巖破碎；DIK59+855～DIK59+880段圍巖破碎,富水,其中DIK59+879～DIK59+867段節(jié)理裂隙發(fā)育、極破碎,施工時(shí)需加強(qiáng)支護(hù)；DIK59+880～DIK59+887段圍巖破碎,含水；DIK59+880～DIK59+900段圍巖破碎,含水。

圖7 TSP速度分析成果

結(jié)合鐵路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7],對(duì)隧道未開挖部分圍巖級(jí)別進(jìn)行劃分：DIK59+650～DIK59+750段為Ⅴ級(jí)；DIK59+750 ～DIK59+855段為Ⅳ級(jí)；DIK59+855～DIK59+880段為Ⅴ級(jí)；DIK59+880 ～DIK59+900段為Ⅳ級(jí)。

2.6 開挖圍巖與四種預(yù)報(bào)方法結(jié)論的對(duì)比

隧道開挖后,DIK59+650～DIK59+900范圍內(nèi),DIK59+660～DIK59+700段圍巖主要為黑、灰黃褐色強(qiáng)風(fēng)化玄武巖,并有3 cm泥化夾層；DIK59+700～DIK59+770段圍巖主要為黃、灰、紅褐色強(qiáng)風(fēng)化玄武巖,并有泥化夾層,DIK59+785～DIK59+760段涌水,水量為350 ～420 m3/h；DIK59+810 ～DIK59+890段主要以玄武巖為主,局部出現(xiàn)凝灰?guī)r,呈青灰、灰褐及黃褐色。

根據(jù)施工時(shí)實(shí)際情況,圍巖級(jí)別與超前鉆探法、可控源音頻大地電磁法、高密度電法、彈性波反射法(TSP法)四種方法結(jié)論推測圍巖級(jí)別的對(duì)比見表1。

表1 圍巖級(jí)別對(duì)比

從表1中不難得出,單一方法難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)未開挖段的實(shí)際情況,有時(shí)反而有較大差距,但當(dāng)將四種方法的結(jié)論和地質(zhì)基礎(chǔ)信息進(jìn)行綜合考慮,就可以從宏觀到具體上得到較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)論。按圖8中的流程,將地質(zhì)信息和各單一方法結(jié)論交互對(duì)比,融合,最后得到優(yōu)化后的預(yù)報(bào)結(jié)論,這就是為什么要進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的原因。

圖8 綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)流程

3 結(jié)論

隧道綜合超前預(yù)報(bào)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,良好的地質(zhì)信息是所有預(yù)報(bào)方法的根基。只有將地質(zhì)信息與預(yù)報(bào)有機(jī)結(jié)合才能得出正確的結(jié)論。

單一的預(yù)報(bào)方法是有局限性的,依靠單一方法的預(yù)報(bào)是不可靠的,只有將幾種方法互為補(bǔ)充,才能夠得出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

良好的原始數(shù)據(jù)或資料是正確預(yù)報(bào)的基礎(chǔ),工作時(shí)要按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進(jìn)行操作和記錄,盡量減少各種影響因素。

做好已開挖段地質(zhì)信息與預(yù)報(bào)結(jié)論的驗(yàn)證,通過驗(yàn)證,不斷調(diào)整預(yù)報(bào)方法的探測和處理過程,從而為之后的預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性打下更加牢固的基礎(chǔ)。

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