綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在鷓鴣山隧道斷層帶的應(yīng)用

曹放,付振華，蒲超

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059；2.四川公路工程咨詢監(jiān)理公司，四川成都610059)

汶馬高速鷓鴣山隧道位于四川省阿壩州理縣境內(nèi)，雙線總長(zhǎng)度17 582 m，施工期為2014年8月至2018年2月，采用雙向鉆爆法施工，起訖地面標(biāo)高3 050～4 624 m，最大埋深約1 350 m，屬特長(zhǎng)深埋隧道，施工地質(zhì)條件復(fù)雜，也是目前全國(guó)在海拔3 000 m以上貫通的最長(zhǎng)高速公路隧道。隧道出口在掘進(jìn)至K184+150～K186+140 m段時(shí)，受鉆金樓倒轉(zhuǎn)背斜等構(gòu)造影響，圍巖節(jié)理裂隙增多，時(shí)有小型斷層夾破碎帶出露，圍巖強(qiáng)度驟降使得施工遭受地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大大增加。因此，有必要加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)工作，采用體系完善、可靠性高的綜合超前預(yù)報(bào)方法，預(yù)測(cè)隧道前方圍巖的信息，為隧道施工掘進(jìn)方案提供參考依據(jù)。

隧道施工期間，利用各種勘探手段著手解決地質(zhì)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)由單一物探工具的集中預(yù)測(cè)發(fā)展到了多物探手段與地質(zhì)分析緊密結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

李術(shù)才等[1-3]通過(guò)對(duì)各種超前預(yù)報(bào)方法的分析和研究，建立了“洞內(nèi)外結(jié)合，長(zhǎng)短結(jié)合，地質(zhì)與物探結(jié)合，不同物探方法結(jié)合”的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，優(yōu)化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作流程。李天斌等[4]根據(jù)隧道施工的地質(zhì)預(yù)報(bào)研究提出“以地質(zhì)分析為核心，綜合物探與地質(zhì)分析相結(jié)合，洞內(nèi)外結(jié)合，長(zhǎng)短預(yù)測(cè)結(jié)合以及物性參數(shù)互補(bǔ)”的綜合預(yù)報(bào)原則，針對(duì)不良地質(zhì)情況建立綜合分級(jí)評(píng)價(jià)體系，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)綜合超前預(yù)報(bào)的結(jié)果進(jìn)行分析，在擺脫人為經(jīng)驗(yàn)判斷方面進(jìn)行了嘗試，是綜合預(yù)報(bào)結(jié)果分析方法的一個(gè)進(jìn)步。

在這些綜合預(yù)報(bào)思路的基礎(chǔ)上，通過(guò)典型隧道地災(zāi)案例的實(shí)踐檢驗(yàn)，可以進(jìn)一步彌補(bǔ)或完善這些理論體系，這也是提高行業(yè)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平的必由之路。

1 鷓鴣山隧道斷層帶概況

汶馬高速鷓鴣山隧道穿越地層主要有第四系全新統(tǒng)(Q4)、三疊系上統(tǒng)新都橋組(T3x)、三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zh)和三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)。深部出露圍巖主要為(炭質(zhì))千枚巖，板巖，變質(zhì)砂巖。構(gòu)造單元屬馬爾康北西構(gòu)造帶，即米亞羅斷裂帶以西，松崗—撫邊河斷裂帶以東，為一系列呈北西—南東向展布的線狀緊密褶皺，并伴有數(shù)條同方向展布的壓扭性斷裂。區(qū)內(nèi)斷裂主要為松崗—撫邊河斷裂、米亞羅斷裂、毛孟楚斷裂、赤馬梁斷裂?，F(xiàn)代應(yīng)力場(chǎng)的方向?yàn)镹WW—SEE向，最大主應(yīng)力方向主要在N50°W～N70°W，但在斷層帶附近，最大主應(yīng)力方向會(huì)受斷層影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，鷓鴣山隧道埋深500 m左右，其最大水平主應(yīng)力為13～18 MPa。隧址區(qū)主要受鉆金樓倒轉(zhuǎn)背斜，米亞羅壓扭性斷層(F5)影響，圍巖級(jí)別主要為Ⅲ～Ⅴ級(jí)，易發(fā)變形崩塌。地下水主要為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水，隧道內(nèi)出水隨季節(jié)性變化顯著。

2 F5斷層地質(zhì)分析

基于勘察設(shè)計(jì)資料及已建國(guó)道317鷓鴣山隧道工程類比[5]，汶馬高速鷓鴣山隧道K184+150～K186+140 m段主要受鉆金樓倒轉(zhuǎn)背斜、米亞羅壓扭性斷層綜合影響，共穿越5條斷層，總寬度超過(guò)1 km。其中F5斷層(圖1)在隧道表面里程為K186+729～K186+514 m，其埋深最大，平均約960 m。F5斷層地表產(chǎn)狀為NNE6°SE∠52°，上盤上升、下盤下降，拖拉褶皺發(fā)育，屬壓扭性逆斷層。兩盤地層計(jì)有三疊系雜谷腦組、侏倭組及新都橋組砂板巖，巖石甚為破碎，破碎帶寬達(dá)40～100余米。局部可見(jiàn)斷層擦痕，地形上風(fēng)化后形成對(duì)頭溝和斷層埡等斷層地貌。

圖1 鷓鴣山隧道F5斷層位置示意

為進(jìn)一步劃定斷層影響到隧道洞身的位置，可采用地質(zhì)界面投影法[6]。即

(1)

式中Ls——隧道經(jīng)過(guò)該斷層時(shí)的里程，m；L0——沿隧道軸線經(jīng)過(guò)該斷層時(shí)的地表里程，m；h——隧道軸線埋深，m；β——斷層的真傾角，(°)；θ——斷層走向與隧道軸線夾角，(°)；ω——隧道軸線與斷層傾向夾角，(°)；sign(cosω)——符號(hào)函數(shù)。

以此確定F5斷層帶在隧道線的位置為K186+624～K186+409 m，洞身跨斷層帶厚度約150 m。隧道洞身側(cè)壁經(jīng)過(guò)主斷層帶寬度約50 m。

3 綜合超前預(yù)報(bào)

3.1 掌子面跟蹤分析及預(yù)測(cè)

掌子面在掘進(jìn)到K186+536～K186+437 m段時(shí)，以變質(zhì)砂巖、板巖為主的圍巖中夾雜了大量泥質(zhì)夾層(圖2)，選取該段典型圍巖K186+532 m處地質(zhì)素描圖，圖3為現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況，節(jié)理裂隙大量增加，分布紊亂，RQD約30%，裂隙密集處多處可見(jiàn)裂隙滲滴水。地質(zhì)分析預(yù)測(cè)前方圍巖可能存在不同厚度軟弱層，需要物探或鉆探進(jìn)一步探明。綜合考慮，決定在該段進(jìn)行多手段物探預(yù)報(bào)，結(jié)合表1，典型地質(zhì)單元的物探方法優(yōu)選原則[4,7-10]，基于鉆爆法施工地質(zhì)環(huán)境，優(yōu)選了TSP+GPR的聯(lián)合探測(cè)模式。

圖2 K186+532 m 處掌子面地質(zhì)素描

圖3 K186+532 m 掌子面現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況

3.2 TSP采集及預(yù)測(cè)

在TSP探測(cè)過(guò)程中，儀器采用TSP200探測(cè)系統(tǒng)，選擇在K186+586～K186+536 m段隧道右壁傍山側(cè)邊墻設(shè)置24發(fā)激震炮孔及雙側(cè)邊墻各一地震波接收孔?？刂婆诳组g間距約1.5 m，孔深1.5 m，傾角方向角整體相差不到15°，均勻每孔乳化炸藥藥量至100 g，填水泥封保證激震震波效果。整個(gè)探測(cè)過(guò)程在所有工程器械停工后進(jìn)行，無(wú)現(xiàn)場(chǎng)干擾和鄰洞脈沖干擾。探測(cè)結(jié)果最終取得了較清晰的結(jié)果。

表1 鉆爆法施工典型地質(zhì)單元的物探方法優(yōu)選原則

注：A、B、C、D 分別表示針對(duì)不同目標(biāo)地質(zhì)單元種類，各方法準(zhǔn)確度為高、較高、較低、低

圖4所示，TSP探測(cè)圍巖縱波波速Vp、橫波波速Vs、縱橫波比Vp/Vs，泊松比σ、密度ρ、動(dòng)態(tài)彈性模量Е成果曲線，結(jié)合圖5，解譯分析如下。

a) K186+612～K186+556 m段：從探測(cè)數(shù)據(jù)成果曲線可以看出，段內(nèi)圍巖縱(Vp)、橫波(Vs)波速相對(duì)掌子面圍巖變化起伏甚?。籚p/Vs較平穩(wěn)；密度ρ、彈性模量E整體也較平穩(wěn)；推測(cè)實(shí)際地質(zhì)情況與掌子面相差不大。

b) K186+556～K186+504 m段：段內(nèi)圍巖Vp較之前段總體下降，Vs也有所下降，但在K186+530～K186+520 m段特殊段Vp、Vs均略有上升；整體Vp/Vs較平穩(wěn)，較之前段略有上升；密度ρ、彈性模量E整體下降，在特殊段略有上升。反射層面綜合為弱負(fù)反射層，考慮圍巖RQD長(zhǎng)期較低的影響，推測(cè)段內(nèi)圍巖整體完整性較比前段及掌子面有所降低，出水量也有所增加。

c) K186+504～K186+464 m段：段內(nèi)圍巖Vp、Vs較前段有異常起伏；Vp/Vs較之前段下降，應(yīng)是受完整性變差的影響而非水造成；密度ρ、彈性模量E整體也很不穩(wěn)定，偏低，ρ約2.3～2.6 g/cm3，E約35～40 GPa。反射層面綜合為強(qiáng)負(fù)反射層，推測(cè)在K186+496～K186+484 m異常起伏段圍巖完整性就大幅降低，可能出現(xiàn)約12 m范圍破碎帶。

圖4 TSP探測(cè)圍巖Vp、Vs、Vp/Vs，泊松比、密度、動(dòng)態(tài)彈性模量成果曲線

圖5 TSP探測(cè)圍巖反射層位波速異常

為進(jìn)一步探明TSP預(yù)測(cè)破碎帶邊界及范圍，在超前物探預(yù)報(bào)方面，攫取GPR利用電磁波信息作進(jìn)一步詳測(cè)。

3.3 GPR采集及預(yù)測(cè)

在GPR探測(cè)過(guò)程中，儀器采用SIR-20探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)TSP長(zhǎng)預(yù)報(bào)整體預(yù)測(cè)結(jié)果和掌子面跟蹤記錄，選取在掌子面K186+520 m段針對(duì)TSP預(yù)測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)單元K186+520～K186+490 m進(jìn)行基于電磁參數(shù)的GPR預(yù)測(cè)。在二臺(tái)階開挖的掌子面選擇上下2條測(cè)線進(jìn)行探測(cè)，下測(cè)線離地1 m，上測(cè)線離地2 m，將天線貼合在掌子面上，一邊移動(dòng)天線，一邊通過(guò)雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)采集信息。整個(gè)過(guò)程盡可能排除掌子面附近金屬器械影響，探測(cè)環(huán)境比較理想。

圖6表明，雷達(dá)剖面中探測(cè)時(shí)間50～400 ns的區(qū)域，轉(zhuǎn)換為掌子面前方約4～25 m內(nèi)的未開挖范圍，即K186+516～K186+495 m。該段內(nèi)雷達(dá)信號(hào)同相軸呈現(xiàn)不同程度錯(cuò)斷，高振幅能量，變化快，波形雜亂，尤在K186+516～K186+495 m段掌子面左側(cè)距邊墻4～8 m范圍內(nèi)極可能含強(qiáng)破碎區(qū)域。

圖6 GPR 波形剖面

4 綜合超前預(yù)報(bào)與檢驗(yàn)

4.1 綜合超前預(yù)報(bào)結(jié)果

表2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果

在綜合地質(zhì)分析法與TSP+GPR多元物探的成果之后，最終擬定了掌子面前方強(qiáng)破碎區(qū)域?yàn)镵186+516～K186+484 m段掌子面左側(cè)距邊墻4～8 m范圍，其余預(yù)報(bào)成果見(jiàn)表2。

4.2 K186+500 m破碎帶小坍塌實(shí)例

通過(guò)將綜合超前預(yù)報(bào)結(jié)果匯報(bào)給施工單位，施工方采取了一定措施控制了開挖進(jìn)度，邊開挖，邊襯砌。經(jīng)開挖掘進(jìn)，實(shí)際圍巖在隧道K186+512～K186+497 m段出現(xiàn)了破碎帶(圖7)，僅與預(yù)報(bào)位置滯后了4 m，覆蓋率達(dá)到了70%，說(shuō)明了預(yù)報(bào)成果的準(zhǔn)確高效。

圖7 K186+512～K186+497 m 破碎帶圍巖情況

圖8 2015年10月6日K186+500 m 拱頂坍塌

2015年10月6日凌晨3時(shí)50時(shí)分，掌子面在經(jīng)過(guò)K186+500 m處出現(xiàn)了拱頂坍塌(圖8)，堆積物擴(kuò)散到掌子面前方約40 m，塌方量約4 300 m3。因掘進(jìn)速度有所放緩加上準(zhǔn)備及時(shí)，所幸并無(wú)人員傷亡和器械損失。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的分析方法，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)鷓鴣山隧道K186+512～K186+497 m破碎帶的有效預(yù)報(bào)，通過(guò)及時(shí)與施工單位溝通，一定程度上降低了坍方事故發(fā)生的突然性，經(jīng)驗(yàn)及結(jié)論如下。

a) 隧道在經(jīng)過(guò)斷層帶的時(shí)候，尤其要重視超前預(yù)報(bào)工作，及時(shí)高效地預(yù)知未開挖里程的圍巖情況，能有效降低災(zāi)害性事故釀成慘劇的概率。

b) 此次成功的超前預(yù)報(bào)，關(guān)鍵經(jīng)驗(yàn)在于靈活地運(yùn)用了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)理論。從地面的宏觀地質(zhì)調(diào)查開始，將斷層帶一步步縮小，以掌子面地質(zhì)編錄為記錄和跟蹤依據(jù)，結(jié)合物探工具，利用TSP反射地震波法，長(zhǎng)距離把握圍巖的完整性變化信息，GPR進(jìn)行短距離針對(duì)性探測(cè)，利用電磁參數(shù)消除水的影響并進(jìn)一步劃分破碎帶邊界，再結(jié)合長(zhǎng)期地質(zhì)跟蹤成果，形成最終的地質(zhì)預(yù)報(bào)。本例實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的充分結(jié)合，物探與地質(zhì)分析的交叉運(yùn)用。

c) 物探信息的后期解譯既需要物探技術(shù)能手，更需要長(zhǎng)期的地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)，只有能將二者充分結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)真正的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

d) 本文的案例具有良好的典型性，把物探解譯和地質(zhì)分析經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了出來(lái)，全程的方法可操作性強(qiáng)，可借鑒性強(qiáng)，所用儀器皆為超前預(yù)報(bào)的常用工具，可為類似隧道提高超前預(yù)報(bào)成功率提供參考。