鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用

叱干強

（中鐵二十二局集團市政工程有限公司，廣州 510800）

1 引言

工程項目在勘察設(shè)計階段，受勘察地理條件限制及勘察技術(shù)條件的制約，地質(zhì)勘察的結(jié)果常常與施工開挖揭示的地質(zhì)條件存在一定出入，從而使得施工方法、支護措施、施工成本、施工工期都受到影響，特別是復(fù)雜多變、不良地質(zhì)段落，不當(dāng)?shù)氖┕し椒赡茉斐傻刭|(zhì)災(zāi)害及安全事故。因此，在隧道施工中，采用科學(xué)合理、技術(shù)可行的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，對隧道掌子面前方地質(zhì)情況進行準確的預(yù)報尤為重要，從而對施工方法起到一定的指導(dǎo)作用，對施工安全提供有力保障[1]。

在玉磨鐵路南聯(lián)山隧道施工中，采用不同的超前地質(zhì)預(yù)報方法，結(jié)合應(yīng)用、相互印證、對各不良地質(zhì)段落進行了成功的預(yù)報，為施工提供了可靠的依據(jù)。本文主要結(jié)合南聯(lián)山隧道施工中不同的超前地質(zhì)預(yù)報方法的結(jié)合運用技術(shù)做分析總結(jié)。

2 工程及地質(zhì)概況

南聯(lián)山隧道全長9 850 m，除出口段690 m為雙線隧道，其余段落為單線隧道。隧址區(qū)屬中低山地貌，上覆第四系全新統(tǒng)滑坡堆積（Q4del）粉質(zhì)黏土，坡洪積（Q4dl+pl）淤泥質(zhì)土，粉質(zhì)黏土及粗圓礫土，坡殘積（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土，坡積（Q4dl）粉質(zhì)黏土，下伏基巖未二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）板巖加砂巖，炭質(zhì)片巖，炭質(zhì)板巖，強風(fēng)化層（W3）、全風(fēng)化層（W4），二疊系上統(tǒng)（P2）安山巖，印支期（δ51）閃長巖，（N51）輝長巖，F(xiàn)br斷層角礫。主要不良地質(zhì)有滑坡、仰坡順層、有害氣體、曼龍邁正斷層，斷層影響段落地質(zhì)以斷層角礫為主，破碎帶及影響帶巖體極破碎，全隧地下水豐富。

3 超前地質(zhì)預(yù)報主要技術(shù)應(yīng)用

目前，超前地質(zhì)預(yù)報主要采用地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法和超前導(dǎo)坑預(yù)報法[2]，其中前3種方法較為常用。

超前地質(zhì)預(yù)報的主要內(nèi)容是預(yù)報不良地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害、水文地質(zhì)、斷層破碎帶、圍巖類別、穩(wěn)定性、有害氣體等[3]。南聯(lián)山隧道在施工中通過下述各方法的結(jié)合運用，有效地進行了超前地質(zhì)預(yù)報。

3.1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法包括隧道地表補充地質(zhì)調(diào)查、洞內(nèi)開挖工作面地質(zhì)素描和洞身地質(zhì)素描、地層分界線及構(gòu)造線的地下和地表相關(guān)性分析、地質(zhì)作圖等。

3.1.1 地表補充地質(zhì)調(diào)查

地表地質(zhì)調(diào)查和洞內(nèi)開挖面地質(zhì)素描應(yīng)用較多，該如何應(yīng)用是重點。一條地質(zhì)復(fù)雜、圍巖級別多變的隧道，從隧道進口到出口進行地表補充調(diào)查是很有必要的，過程中做好記錄

和標記是關(guān)鍵。例如，線路穿山間溝渠，溝渠水量大小，穿公路或線路附近的魚塘、水塘及建筑群走向等與線路的空間關(guān)系，或地表出露的特殊的巖土，煤層、斷層等的位置、規(guī)模等情況并配上草圖，再結(jié)合設(shè)計圖對應(yīng)查閱埋深、設(shè)計參數(shù)、圍巖級別等相關(guān)資料，將這些特殊信息都標記出來，然后匯總成信息表，最后修正出超前地質(zhì)預(yù)報重點區(qū)段（南聯(lián)山隧道匯總信息表內(nèi)容包含：影響里程、地表調(diào)查的信息情況描述、設(shè)計埋深、設(shè)計支護參數(shù)、是否納入重點預(yù)報、預(yù)報時應(yīng)注意的問題）。這些信息都作為后期施工的第一手資料，既可為物探法、鉆探法相互驗證做輔助參考資料，又可作為施工措施變化的輔助參考依據(jù)。

3.1.2 洞內(nèi)開挖面地質(zhì)素描

地質(zhì)素描需隨隧道開挖及時進行，在地層巖性變化處、構(gòu)造發(fā)育部位、巖溶發(fā)育帶等復(fù)雜、重點地段需每開挖循環(huán)進行一次素描，其他一般地段不超過10 m進行一次素描。

南聯(lián)山隧道地質(zhì)變化多，圍巖級別從Ⅱ~Ⅴ級均有分布。施工中，針對地質(zhì)素描主要從巖性層間結(jié)合程度、風(fēng)化程度、節(jié)理特征、破碎程度、穩(wěn)定性、地下水分布、水量、地下水出漏形態(tài)（滲水、滴水、線狀）等進行描述并配以輪廓簡圖示意。

3.2 物探法

物探法包括多種方法，南聯(lián)山隧道采用的是應(yīng)用相對普遍和成熟的TSP（地震波反射法）和地質(zhì)雷達探測法。

3.2.1 TSP（地震波反射法）

南聯(lián)山隧道采用的是瑞士安伯格公司生產(chǎn)的TSP200，屬于多波多分量反射地震波物探方法。由1個傳感器孔（接收器孔）和同水平線的24個激發(fā)孔通過孔內(nèi)少量炸藥激發(fā)地震波進行探測（見圖1）。巖體完整的硬巖地層，每次預(yù)報距離采用120~150 m，軟弱、破碎地層或巖溶發(fā)育區(qū)段，每次預(yù)報距離采用100~120 m，前后兩次搭接長度10 m。

圖1 TSP法探測原理示意圖

該方法的結(jié)果分析以P波（縱波）資料為主對巖層進行劃分，結(jié)合橫波資料對地質(zhì)現(xiàn)象進行解釋，解釋遵循以下準則：（1）正反射振幅（一般會對應(yīng)一種顏色）表明巖層變硬，負反射振幅（一般會對應(yīng)另一種顏色）表明巖層變軟，負反射與正反射的組合表明該位置存在斷裂（斷層）；（2）若橫波S反射較縱波P強，則表明巖層飽含水；（3）若縱橫波速比Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流體的存在而引起；（4）若縱波波速Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

在施工中除了看最終的預(yù)報結(jié)果，更需從巖石參數(shù)變化圖和節(jié)理圖中分析風(fēng)險段落的變化趨勢，以便更好地理解風(fēng)險的范圍。此處就不附圖詳解了，總之巖石參數(shù)變化圖及節(jié)理面俯視圖中每一段變化趨勢都有詳細對應(yīng)的里程位置，遵循分析原則，找出重點范圍。

通過分析巖石參數(shù)變化圖和節(jié)理圖，應(yīng)遵循：P波波速越小圍巖級別越低，穩(wěn)定性、完整性越差，裂隙度增加；泊松比越小圍巖完整性越差，突然增大則存在流體；楊氏模量越小，越容易受力后變形破壞。然后再看巖石節(jié)理面，正反射振幅表明巖層相對為硬巖層，負反射振幅表明巖層相對為軟巖層。對于一般地質(zhì)段，TSP法+超前鉆探法兩種相結(jié)合，就足以為施工提供良好指導(dǎo)。

3.2.2 地質(zhì)雷達探測法

地質(zhì)雷達探測法主要用于巖溶探測，以及斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻體的探測，每次探測30 m，前后兩次搭接5 m。南聯(lián)山隧道采用的是SIR-3000高精度探地雷達，100 MHz天線。

對于斷層及其破碎帶、軟弱地層、褶皺及其破碎帶等地段利用地震波反射法+地質(zhì)雷達法+超前鉆探法3種方法相結(jié)合，進行相互驗證。南聯(lián)山隧道出口段曼龍邁斷層與線路相交于DK378+440~DK378+460。3種方法結(jié)合的探測在該斷層影響帶得到充分應(yīng)用，根據(jù)設(shè)計資料該斷層帶影響里程為DK378+431~451共計20 m，但在施工中經(jīng)過地震波反射法探測揭示，圍巖DK378+465~430段波形變化大，正反輻射振幅組合明顯。施工至DK378+470時，通過地質(zhì)雷達探測揭示前方4 m范圍后電磁波頻率分布不均，變化快，振幅低，再通過掌子面左右側(cè)2個超前水平鉆孔鉆探驗證，結(jié)果鉆孔至DK378+465附近時出現(xiàn)卡鉆，直至DK378+440結(jié)束，全程都存在卡鉆現(xiàn)象，渣樣呈角礫狀、潮濕。通過3種方法探測結(jié)果分析判斷曼龍邁斷層影響段落開始里程確定為DK378+465處。后施工至DK378+445處再次進行地質(zhì)雷達探測和兩孔超前水平鉆孔驗證，分析判斷曼龍邁斷層影響帶的結(jié)束里程為DK378+430，結(jié)合預(yù)報信息，對該段落支護措施采取了超前加強和支護加強。曼龍邁斷層影響帶安全平穩(wěn)通過，正是因為這3種方法的充分結(jié)合運用，準確判斷，從而指導(dǎo)施工早行動，提前采取超前加強支護措施，避免了坍塌后被動處理的狀況。

3.3 超前鉆探法

超前鉆探法包括超前水平地質(zhì)鉆探、加深炮孔探測及孔內(nèi)攝影。南聯(lián)山隧道施工中主要應(yīng)用超前水平地質(zhì)鉆探和加深炮孔探測。

3.3.1 加深炮孔探測

加深炮孔探測是小孔徑探測，在南聯(lián)山隧道施工中，采用全斷面法施工時加深炮孔探測采用3點法，臺階法施工時加深炮孔探測采用5點法，深度均較循環(huán)進尺深3 m。無論是3點法還是5點法，探測過程中數(shù)據(jù)的采集和記錄是關(guān)鍵。記錄表反映的信息要詳細，南聯(lián)山隧道施工中記錄表反映的主要信息有：掌子面里程、孔口相對位置、外插角度、鉆進長度、鉆進用時、有無卡鉆、突進情況、鉆后孔口出水情況、是否有氣體溢出（針對可能存在的有害氣體段很重要，是重點監(jiān)測對象）等。

加深炮孔的探測，彌補了超前水平鉆探預(yù)報范圍的局限性，對支護輪廓范圍短距離圍巖的情況探測是一個補充，特別是在圍巖復(fù)雜多變、軟硬分布不均、漸變段落起到一個多點成面的探測預(yù)報作用。

3.3.2 超前水平地質(zhì)鉆探

超前水平地質(zhì)鉆探適用于各種地質(zhì)條件下的預(yù)報，復(fù)雜特殊地層、有特殊目的的地質(zhì)地段需要采用回轉(zhuǎn)取芯鉆進行取芯鑒定和試驗，一般地段采用沖擊鉆，通過鉆孔鉆進響聲、鉆速及其變化、鉆孔渣樣、卡鉆、裹鉆、鉆桿振動、孔口流水等探明巖性、巖體完整性及溶洞、地下水發(fā)育情況。鉆孔位置的布置、角度的控制和孔數(shù)的選取要嚴格把控。具體要求如下：

1）一般地段在掌子面中部布1個鉆孔，下穿段落、淺埋段落在掌子面左右側(cè)各布1個鉆孔，鉆孔外插角控制在1°~3°；

2）富水巖溶發(fā)育段落在掌子面左右側(cè)各布1個鉆孔，結(jié)合鉆孔揭示，必要時再增加，外插角控制在10°~15°，使終孔位于開挖輪廓線5 m外；

3）根據(jù)施工總結(jié)，對于富水、巖體破碎呈角礫狀巖體段落，鉆孔角度要嚴格控制在1°~2°，終孔必須在支護的拱圈輪廓線范圍內(nèi)。因為這種地質(zhì)條件下，由于過大的外角傾斜，隨著水流的沖刷，角礫隨水外流，孔內(nèi)會形成漩渦式的放大空洞，隨著時間的推移，越晚開挖的地方越容易形成大空洞溜坍。

南聯(lián)山隧道進口在埋深較淺的下穿魚塘段和下穿既有車輛通行的山路段，充分利用地表調(diào)查中揭示的信息，在施作超前水平鉆時就充分進行了驗證。在下穿魚塘段，提前10 m就探得豐富的地下水，掌子面左側(cè)探孔水流速度達1.2 L/s，圍巖破碎。再結(jié)合超前水平鉆預(yù)報信息，提前采取措施，洞外采取抽干魚塘水，并做防護和地表監(jiān)測。洞內(nèi)采取加強超前支護，采用雙層超前小導(dǎo)管注漿加固，最后平穩(wěn)穿過該段。在下穿最小埋深15 m既有山路段，同樣結(jié)合洞內(nèi)外預(yù)報信息，提前對揭示的風(fēng)化的黃色土粒狀巖層進行了超前注漿固結(jié)措施，開挖中雖有小的溜坍，但提前注漿起了一定的穩(wěn)固作用，保證了施工安全。

總之，超前地質(zhì)預(yù)報工作，每一種方法的應(yīng)用都不應(yīng)孤立存在，無論是地質(zhì)調(diào)查法、物探法，還是鉆探法，只有把每一環(huán)節(jié)都做好，才能更充分地合理應(yīng)用，否則就失去了參考意義和指導(dǎo)施工的價值。

4 結(jié)語

1）通過南聯(lián)山隧道施工中超前預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用，采用“洞內(nèi)與洞外結(jié)合、物探與鉆探結(jié)合、相互印證、重控過程實施與數(shù)據(jù)分析應(yīng)用”能更好地預(yù)報了解圍巖情況，利于施工措施調(diào)整，是可行實用的。

2）超前水平鉆孔的角度不可一味地按外擴到開挖輪廓線來控制，對于富水、巖體破碎呈角礫狀巖體，終孔位置控制在拱圈輪廓線范圍內(nèi)更好，可避免過大的外角傾斜下水流的沖刷，孔內(nèi)形成漩渦式的放大空洞，給開挖帶來隱患。

3）對于一條長且地質(zhì)復(fù)雜多變的隧道，超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)作為日常工序管理范圍，通過各種方法的結(jié)合應(yīng)用及綜合分析，為隧道施工提供合理開挖方法、更安全的支護方式和超前支護措施，使施工做到防患于未然，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。