王 勇,羅芳培
(1.中鐵二局股份有限公司,四川成都 610031;2.成都暢達(dá)通科技發(fā)展有限公司,四川成都 610041)
由于長大風(fēng)險(xiǎn)隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜性、多變性,在勘察階段要準(zhǔn)確無誤地確定隧區(qū)地質(zhì)巖體的狀態(tài)、特征,并準(zhǔn)確預(yù)測隧道施工中可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的位置、規(guī)模及性質(zhì)是十分困難的。我國自20 世紀(jì)80年代以來,在隧道施工中陸續(xù)開展了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,并逐步貫穿于隧道施工的全過程,取得了較好的效果[1]。
本文以成渝鐵路客運(yùn)專線縉云山隧道為工程背景,介紹施工階段重視和加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào),建立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng),最大限度地利用地質(zhì)理論和先進(jìn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù),預(yù)測預(yù)報(bào)掌子面前方的地質(zhì)情況,對于安全施工、提高工效、縮短施工周期、避免事故損失具有重大意義。
縉云山隧道是成渝客專中的一條長大風(fēng)險(xiǎn)隧道,位于重慶市境內(nèi)壁山~九龍坡區(qū)段,起訖里程DK275+355~DK278+530,全長3175 m。隧區(qū)屬丘陵地貌,丘槽相間,地形波狀起伏,地面高程327~637 m,相對高差20~100 m,最大埋深約300 m。隧道地處剝蝕低山地貌,地形受構(gòu)造控制。隧區(qū)位于新華夏系四川沉降帶川東褶皺帶中,隧區(qū)主體構(gòu)造為溫塘峽背斜。隧區(qū)圍巖松軟,巖體破碎,節(jié)理、裂隙發(fā)育,以Ⅳ和Ⅴ級圍巖為主。隧道穿越煤系地層,為低瓦斯隧道,局部有瓦斯積聚的可能,安全風(fēng)險(xiǎn)大。
施工階段的地質(zhì)工作,即超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào),是設(shè)計(jì)階段地質(zhì)工作的繼續(xù)。因此,施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的,是進(jìn)一步落實(shí)設(shè)計(jì)的地質(zhì)情況,修正、完善設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料,以保證實(shí)施的施工方案的正確性,防止施工坍方、瓦斯突出或突涌水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。
鑒于縉云山隧道施工存在坍方、瓦斯突出等風(fēng)險(xiǎn),一旦發(fā)生將產(chǎn)生災(zāi)難性后果。因此,根據(jù)目前國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn),為確??N云山隧道的施工安全,并較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)前方不良地質(zhì)情況,采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法比較科學(xué)。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況,合理的采用多種預(yù)報(bào)手段,揚(yáng)長避短,相互補(bǔ)充,相互驗(yàn)證、多角度、多參數(shù)地對掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。
具體實(shí)施方法為:建立宏觀預(yù)報(bào)、長距離預(yù)報(bào)與中、短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合、地質(zhì)探測與物理探測相結(jié)合的多步預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制,構(gòu)成低瓦斯隧道施工的地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng),進(jìn)行不良地質(zhì)情況的超前預(yù)報(bào)。綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的具體流程如圖1所示。
圖1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程
隧道所在區(qū)域的地質(zhì)分析和宏觀預(yù)報(bào)是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)和前提,是隧道高水平不良的施工地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)不可或缺的第一道工序。只有在地質(zhì)分析和宏觀預(yù)報(bào)的指導(dǎo)下,才能更準(zhǔn)確、更有效地實(shí)施下一步的洞體不良地質(zhì)體地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、超前鉆探、判斷和臨近預(yù)警等后續(xù)預(yù)報(bào)工作[2]。因此,在進(jìn)場施工前,指派地質(zhì)人員對設(shè)計(jì)院提交的地質(zhì)勘察資料進(jìn)行復(fù)核,必要時(shí)輔以現(xiàn)場地面調(diào)繪,對隧道的地層分界線、對地層巖性、斷層產(chǎn)狀、斷層出露位置及規(guī)模、節(jié)理裂隙發(fā)育、隧道圍巖類別作進(jìn)一步的落實(shí),對可能涌水段等工程地質(zhì)問題進(jìn)行預(yù)測。
長距離預(yù)報(bào)是以宏觀預(yù)報(bào)為指導(dǎo),以地質(zhì)分析及長距離物理探測方法相結(jié)合為手段,預(yù)測掌子面前方100~150 m范圍內(nèi)存在的巖層分界線、破碎帶和涌水突泥等不良地質(zhì)體的發(fā)育位置及規(guī)模。
4.2.1 地質(zhì)分析法
由于縉云山隧道的主體構(gòu)造為溫塘峽背斜,根據(jù)斜井超前隧道正洞所揭示的地質(zhì)情況,使用地質(zhì)分析法可推斷隧道正洞的地質(zhì)情況,并對預(yù)報(bào)段進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。
4.2.2 陸地聲納法
陸地聲納法是用錘激震源以及檢波器和儀器結(jié)合,可激發(fā)和接收從10~4000 Hz 的波,然后通過分窗口帶通濾波提取不同頻段的反射波,高頻段的反射波可反映薄層和大節(jié)理等和小溶洞,低頻段的反射波可反映較大的斷層、較厚的巖脈、巖層和大溶洞,通過不同頻段反射的圖像對比,可以分辨不同的不良地質(zhì)體[3],每次預(yù)報(bào)需0.5 h。
中短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,預(yù)報(bào)掌子面前方20~50 m 范圍內(nèi)的不良地質(zhì)情況,判斷圍巖類別等。所采用的預(yù)報(bào)方法有地質(zhì)雷達(dá)法、超前鉆孔探測和加深炮孔探測。中、短距離預(yù)報(bào)是在長距離預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,所以預(yù)報(bào)的精度一般要超過長距離預(yù)報(bào),特別是對不良地質(zhì)性質(zhì)的預(yù)報(bào),對地質(zhì)災(zāi)害而言,相當(dāng)于臨災(zāi)預(yù)報(bào)。
4.3.1 地質(zhì)雷達(dá)法
地質(zhì)雷達(dá)能預(yù)報(bào)掌子面前方地層巖性的變化,對于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識別能力,但探測的距離較短,大約在20~30 m 之間,同時(shí)雷達(dá)記錄容易受到干擾[4]。主要考慮在接近陸地聲納法探測的異常段前方對其進(jìn)行復(fù)查和確認(rèn),硬件采用拉脫維亞生產(chǎn)的Zond-12e 地質(zhì)雷達(dá)儀,75M 偶極非屏蔽天線,軟件采用礦大GR 雷達(dá)處理分析系統(tǒng),每次預(yù)報(bào)需20 min。
4.3.2 超前地質(zhì)探孔(30 m,不取芯)
使用YGL-100A 型潛孔鉆機(jī)實(shí)施超前地質(zhì)鉆孔探測,鉆進(jìn)30 m 約需4 h。該鉆機(jī)可顯示和記錄鉆進(jìn)過程中即時(shí)的鉆孔深度、鉆進(jìn)速度、推進(jìn)力、轉(zhuǎn)速、扭矩、進(jìn)水量、進(jìn)水壓力、打擊能以及變化曲線[1]。現(xiàn)場技術(shù)人員對鉆進(jìn)過程進(jìn)行全程監(jiān)控,當(dāng)上述參數(shù)有異常變化時(shí),記錄下鉆孔深度,觀察鉆孔沖洗液顏色是否變化,沖洗液水量是否增加,判斷是否遇到瓦斯地帶、破碎帶或富水帶。在接長鉆桿的間隙由現(xiàn)場技術(shù)人員采取巖粉判定前方巖體的巖性。鉆進(jìn)結(jié)束時(shí)對鉆孔涌水量和水壓進(jìn)行測量,鉆進(jìn)過程輔以拍照或攝像記錄。根據(jù)對鉆機(jī)記錄的數(shù)據(jù)和鉆進(jìn)全程監(jiān)控資料的綜合分析,得出前方圍巖的巖性和水文特征。
縉云山隧道DK275+510~DK277+405 段落范圍內(nèi),每個(gè)斷面布設(shè)3個(gè)108 探孔,DK275+405~DK278+490 段落范圍內(nèi),每個(gè)斷面布設(shè)1個(gè)108 探孔。探孔長度30 m 左右,相鄰探孔搭接長度5 m。隧道超前地質(zhì)探孔布置示意圖如圖2 所示。
圖2 超前地質(zhì)探孔布置示意
4.3.3 加深炮孔(5 m)
在每次開挖循環(huán)進(jìn)行爆破鉆孔施工時(shí),若遇到超前地質(zhì)長探孔未發(fā)現(xiàn)的異常情況時(shí),立即通過YT-28 風(fēng)鉆或鑿巖臺車等將鉆孔加深作為超前短探孔。每斷面均勻選取3個(gè)孔,探孔深度加深至5 m,并與在掌子面已存在的長探孔位置相互錯(cuò)開,通過對短探孔鉆進(jìn)中鉆進(jìn)速度、沖洗液的變化、巖粉性質(zhì)、涌水量、水壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,進(jìn)一步探明掌子面前方的工程地質(zhì)條件。
綜上所述,縉云山隧道的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法如圖3所示。
圖3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)示意
(1)長大風(fēng)險(xiǎn)隧道地質(zhì)情況復(fù)雜,必須將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作納入施工工序中,配備相關(guān)人員、設(shè)備,以保證工程快速、經(jīng)濟(jì)、安全、順利進(jìn)行,避免災(zāi)害發(fā)生。
(2)詳細(xì)的勘察工作是建立宏觀預(yù)報(bào)的基礎(chǔ),在充分研究勘察設(shè)計(jì)階段地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,將各種方法與技術(shù)有機(jī)結(jié)合,合理確定超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法,建立超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。只有在宏觀預(yù)報(bào)的指導(dǎo)下,才能發(fā)揮各種地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法的技術(shù)優(yōu)勢,準(zhǔn)確、有效地實(shí)施洞內(nèi)不良地質(zhì)體超前預(yù)報(bào)和施工地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測,以及臨近預(yù)警等后續(xù)預(yù)報(bào)工作。
(3)因地制宜綜合應(yīng)用各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法,相互印證與補(bǔ)充。地質(zhì)分析方法作為基本方法必須加強(qiáng),各種物探技術(shù)作為快速“偵察”手段應(yīng)大力發(fā)展[1],超前地質(zhì)探孔法在地質(zhì)復(fù)雜地段必須堅(jiān)持應(yīng)用,并納入施工組織設(shè)計(jì)。
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