薛明英

(中交路橋華北工程有限公司，北京 101113)

由于設(shè)計(jì)提供地質(zhì)勘察資料準(zhǔn)確性有限，隧道地質(zhì)條件具有復(fù)雜性，多變性，隧道開(kāi)挖后揭露的巖性常與圖紙不符，經(jīng)常遇到溶巖區(qū)、軟弱破碎帶、節(jié)理裂隙、斷層、巖爆、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，給施工帶來(lái)困難。目前尚無(wú)一種能解決所有地質(zhì)問(wèn)題的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方法，因此在施工過(guò)程中需組合運(yùn)用不同的地質(zhì)預(yù)測(cè)、物理探測(cè)、鉆孔探測(cè)等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施，綜合分析各種預(yù)報(bào)資料，互相補(bǔ)充印證，對(duì)開(kāi)挖掌子面前方圍巖狀況及不良地質(zhì)做出精確預(yù)報(bào)，及時(shí)變更開(kāi)挖方式及支護(hù)參數(shù)，調(diào)整施工方案，從而提高工效、縮短施工周期，避免災(zāi)害的發(fā)生或減輕災(zāi)害造成的損失，確保安全施工及環(huán)境生態(tài)保護(hù)。三姑尖三號(hào)隧道采用綜合預(yù)報(bào)目的是為尋求最佳的預(yù)報(bào)組合方式，為后續(xù)其他隧道施工提供參考。

1 工程概況

池黃高鐵三姑尖三號(hào)隧道全長(zhǎng)924.9 m，樁號(hào)里程DK116+357(進(jìn)洞)-DK115+432，目前掌子面里程DK116+231，已進(jìn)尺126 m。根據(jù)鉆探揭露，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料對(duì)比分析，按其成因和時(shí)代主要有：表層為第四系全更新統(tǒng)殘坡積土，下伏基巖主要為寒武系下統(tǒng)荷塘組炭質(zhì)泥巖和震旦系皮園村組硅巖；基巖區(qū)，深部巖層為弱風(fēng)化，鉆探未揭露。

2 綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

2.1 掌子面超前水平鉆孔

在掌子面設(shè)計(jì)超前鉆孔2孔，每孔設(shè)計(jì)深30 m，鉆孔偏角0°，豎直角0°，目的是查清前方巖體破碎程度及富水情況。本隧道共進(jìn)行了三次掌子面超前水平鉆孔探測(cè)，里程范圍分別為DK116+296-DK116+266、DK116+273-DK116+243和DK116+249-DK116+219，探測(cè)成果為：①DK116+296-DK116+266段、DK116+273-DK116+243段0～30 m范圍內(nèi)為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，地下水弱發(fā)育，局部有滴、滲水。②DK116+249-DK116+219段0～30 m范圍內(nèi)為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，地下水弱發(fā)育。綜合解釋結(jié)論：節(jié)理裂隙較發(fā)育～弱發(fā)育，巖體較完整，地下水弱發(fā)育。

2.2 TSP探測(cè)

TSP探測(cè)選擇掌子里程DK116+284，探測(cè)范圍120 m。2D和3D物理力學(xué)參數(shù)圖及反射面解譯圖見(jiàn)圖1。根據(jù)TSP探測(cè)得出以下解釋成果：

圖1 2D和3D物理力學(xué)參數(shù)及反射面解譯圖

(1)DK116+284-DK116+262段圍巖，長(zhǎng)22 m，該段圍巖波速Vp2 118～2 431 m/s，Vs1 380～1 676 m/s；泊松比為0.21～0.26；靜態(tài)楊氏模量1.4～2.2 GPa。該段縱波、橫波速度值、泊松比、密度和靜態(tài)楊氏模量值較為穩(wěn)定，存在個(gè)別明顯反射界面。

(2)DK116+262-DK116+246段圍巖，長(zhǎng)16 m，該段圍巖波速Vp2 224～2 663 m/s，Vs1 331～1 446 m/s；泊松比為0.25～0.30；靜態(tài)楊氏模量2.0～2.6 GPa。該段縱波、橫波速度值較前值整體上升，并且泊松比、密度及靜態(tài)楊氏模量等力學(xué)參數(shù)較前值整體稍微增高，且反射界面相對(duì)較少，如圖1所示。

(3)DK116+246-DK116+164段圍巖，長(zhǎng)82 m，該段圍巖波速Vp2 408～2 513 m/s，Vs1 419～1 434 m/s；泊松比為0.23～0.26；靜態(tài)楊氏模量2.2～2.5 GPa。該段縱波、橫波速度值較前值整體抬升，泊松比、密度及靜態(tài)楊氏模量等力學(xué)參數(shù)也整體升高，反射界面相對(duì)較少。

具體預(yù)報(bào)成果為：①DK116+284-DK116+262段圍巖完整性較當(dāng)前掌子面情況基本一致，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水弱發(fā)育。②DK116+262-DK116+246段圍巖完整性情況較前段圍巖情況稍微變好，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎～較完整，地下水弱發(fā)育。③DK116+246-DK116+164段圍巖情況稍微更好，節(jié)理裂隙較發(fā)育～弱發(fā)育，巖體較完整，地下水弱發(fā)育。綜合解釋結(jié)論：節(jié)理裂隙較發(fā)育～弱發(fā)育，巖體較完整，地下水弱發(fā)育。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)探測(cè)自DK116+334開(kāi)始，每次探測(cè)范圍30 m，相鄰兩次搭接5 m，以掌子里程DK116+279.4為例進(jìn)行展示，測(cè)線布置如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖

如圖3所示，DK116+279.4-DK116+249.4段波形較為雜亂，反射波同相軸總體較錯(cuò)斷，探測(cè)成果為：推測(cè)該段圍巖為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，圍巖穩(wěn)定性一般，地下水弱發(fā)育，拱頂易掉塊。綜合解釋結(jié)論：地下水弱發(fā)育,巖體較破碎。

圖3 測(cè)線1和測(cè)線2地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果

2.4 高密度電阻法

物探范圍：三姑尖3號(hào)隧道出口段DK116+307.6、DK116+297.6、DK116+287.6、DK116+277.6位置。共布置4條測(cè)線，測(cè)線總長(zhǎng)度1 050 m。高密度電阻法測(cè)線詳細(xì)情況如表1所示。實(shí)地位置利用1∶500 地形圖，采用RTK定位。

表1 三姑尖 3 號(hào)隧道出口段物探(高密度電阻率法)測(cè)線布置

勘探深度滿足洞身范圍，本次物探工作的主要任務(wù)為：查明測(cè)區(qū)巖土分界、基巖風(fēng)化分界的分布及展布情況，重點(diǎn)查明巖體完整性、覆蓋層變化情況、巖體富水情況，從而為鉆探成果的內(nèi)插、外推和現(xiàn)場(chǎng)施工提供依據(jù)[1]。以DK116+307.6剖面L1-L1′高密度電阻率法物探解譯圖(如圖4所示)為例，說(shuō)明4條測(cè)線得出結(jié)果：

圖4 高密度電阻法物探解譯圖

反演電阻率剖面圖 L1-L1′顯示，DK116+307.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，隧道頂板以上全風(fēng)化層約 7.2 m，強(qiáng)風(fēng)化層約 10.6 m，弱風(fēng)化層約 12.4 m。

反演電阻率剖面圖 L2-L2′顯示，DK116+297.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，隧道頂板以上全風(fēng)化層約 9.6 m，強(qiáng)風(fēng)化層約 7.9 m，弱風(fēng)化層約 13.6 m。

反演電阻率剖面圖 L3-L3′顯示，DK116+287.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，隧道頂板以上全風(fēng)化層約 7.2 m，強(qiáng)風(fēng)化層約 10.2 m，弱風(fēng)化層約 21.7 m。

反演電阻率剖面圖 L4-L4′顯示，DK116+277.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，隧道頂板以上全風(fēng)化層約 6.6 m，強(qiáng)風(fēng)化層約 16.1 m，弱風(fēng)化層約 23.0 m。

綜合解釋結(jié)論：地下水弱發(fā)育，巖體較破碎。

2.5 加深炮孔法

掌子面加深炮孔位置為上臺(tái)階左拱頂、右拱頂、中心距離拱頂2.5 m處，炮孔長(zhǎng)度6 m。表2為DK116+240-DK116+234段加深炮孔現(xiàn)場(chǎng)記錄，記錄此斷面鉆進(jìn)均勻，無(wú)卡鉆，無(wú)水，鉆渣為黑色巖粉，母巖為炭質(zhì)泥巖[2-3]。

表2 DK116+240掌子面加深炮孔記錄

2.6 掌子面地質(zhì)素描

每隔3 m進(jìn)行一次掌子面地質(zhì)素描，掌子面DK116+237位于其他各項(xiàng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)重疊樁號(hào)，且為目前最新開(kāi)挖面，對(duì)前項(xiàng)各類超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果可進(jìn)行驗(yàn)證。圍巖為寒武系炭質(zhì)泥巖，灰黑色，弱風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)未破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，圍巖整體性較好，掌子面圍巖整體濕潤(rùn)。

原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)此樁號(hào)斷面地質(zhì)描述為：危巖，落石高發(fā)區(qū)。巖性為炭質(zhì)泥巖，巖體破碎，局部分部有硅質(zhì)巖，巖質(zhì)硬，巖體穩(wěn)定性差，強(qiáng)富水性，支護(hù)類型為Va，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，I型超前小導(dǎo)管。對(duì)比發(fā)現(xiàn)地質(zhì)素描與原設(shè)計(jì)出入較大。

綜合解釋結(jié)論：無(wú)原圖紙描述強(qiáng)富水地段，圍巖整體性較好，DK116+237-DK116+207段圍巖由V級(jí)變更為IV級(jí)。

3 預(yù)報(bào)成果對(duì)比應(yīng)用

可綜合分析既定設(shè)計(jì)的長(zhǎng)距離、中長(zhǎng)距離、短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組合的探測(cè)結(jié)果，可以較真實(shí)的認(rèn)識(shí)隧道開(kāi)挖后掌子面的圍巖等級(jí)。2021年01月08日，經(jīng)業(yè)主及設(shè)計(jì)院等相關(guān)單位對(duì)三姑尖三號(hào)隧道DK116+237段掌子面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，判定洞身圍巖巖體完整，地下水弱發(fā)育，掌子面直立性好。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示前方30 m與掌子面基本一致。據(jù)此對(duì)比原設(shè)計(jì)，DK116+237-DK116+207段圍巖等級(jí)由V級(jí)變更為IV級(jí)，開(kāi)挖工法由三臺(tái)階法調(diào)整為全斷面法，取消II類超前小導(dǎo)管，節(jié)約了投資和工期。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)有限，目前尚無(wú)一種能夠解決所有地質(zhì)預(yù)報(bào)問(wèn)題的方法，同時(shí)預(yù)報(bào)環(huán)境受到的干擾因素太多，各種物探對(duì)環(huán)境的要求也不同，因此面對(duì)復(fù)雜多變的地質(zhì)區(qū)域，隧道開(kāi)挖需采用多種不同的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，對(duì)測(cè)得的資料進(jìn)行綜合分析，互相補(bǔ)充印證，以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。