隧道综合超前地质预报方法及应用

2010-08-06王树栋

铁道勘察 2010年4期

舒森王树栋

(中铁二院地勘岩土工程有限责任公司,四川成都 610031)

隧道超前地质预报就是在分析既有地质资料的基础上,采用地质调查、物探、超前地质钻探、超前导坑等手段,对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等,进行探测、分析解译和预报,并提出技术措施建议[1]。

目前隧道超前地质预报主要分为：地质调查法、超前钻探法、物探法、超前导坑预报法四大类。使用单一的预报方法进行预报,往往有其局限性,并不能达到最好效果。而只有根据探测地质体的实际情况,选择搭配不同方法进行隧道综合超前地质预报,对比预报成果,才能得到最佳的预报信息,给施工起到有效的预警作用。

实例主要使用的是超前钻探法、物探法这两种方法。而针对隧道地质状况,物探法使用了可控源音频大地电磁法、高密度电法、弹性波反射法(TSP法)。

1 隧道超前地质预报方法及优缺点

1.1 地质调查法

地质调查法是利用常规地质理论和作图法,根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料、洞内地质调查资料、隧道开挖工作面地质素描,通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、地质作图和趋势分析、隧道内不良地质体临近前兆分析等,推测开挖工作面前方可能揭示的地质情况,进行预测预报,如地层岩性、地质构造、不良地质及特殊地质等[1]。在隧道埋深浅和地质结构不太复杂的情况下具有较高准确性。但在隧道地质结构比较复杂地区和深埋隧道的情况下,其难度较大,工作准确性难以保证[2]。

1.2 超前钻探法

超前钻探法是利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。适用于各种地质条件下隧道的超前地质预报,宜在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂时采用。它可以比较直观地探明钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、岩溶及地下水发育情况等,但其费用高、速度慢、占用隧道施工时间长。由于钻孔主要显示的是某一点的信息,所以对断层等面状构造一般会有较好效果,但对溶洞有漏报的可能[1]。

1.3 超前导坑预报法

超前导坑预报法是以超前导坑中揭示的地质情况,通过地质理论和作图法预报正洞地质条件的方法,可分为平行超前导坑法、正洞超前导坑法,以先行开挖的隧道预报后开挖的隧道地质条件。适用于各种地质情况,由超前导坑地质情况推测未开挖地段隧道地质条件,超前导坑预报法对煤层、断层等面状结构面预报比较准确,对岩溶等有预报不准的可能[1]。

1.4 物探法

物探法是当探测对象与其相邻介质存在的一定物性差异,并具有足以被探测的规模时使用。在地质条件复杂的工点和存在多种干扰因素的工点,应充分利用被探测对象的物性条件,积极开展综合物探[2]。物探方法用时少、费用低,但由于物探反演的多解性,也存在预报不足的情况。

实例中使用的物探方法是可控源音频大地电磁法、高密度电法和弹性波反射法(TSP法)。

(1)可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是利用人工场源激发地下岩石,在电流流过时产生的电位差,接收不同供电频率形成的一次场电位,由于不同频率的场在地层中的传播深度不同,所反映深度也就与频率构成一个数学关系,不同电导率的岩石在电流流过时所产生的电位和磁场是不同的,CSAMT方法就是利用不同岩石的电导率差异观测一次场电位和磁场强度变化的一种电磁勘探方法。CSAMT特点主要是勘探深度范围大,分辨力较高,低阻敏感性好,地形影响小,场源影响小,抗干扰能力强,设计灵活,高效便捷[3]。尽管CSAMT方法具有不少优点,但也还存在一些缺点,比如静态效应、近场效应等[4]。CSAMT野外工作布置图见图1。

图1 CSAMT法野外工作布置(单位：km)

(2)高密度电法

高密度电法指的是直流高密度电阻率法,以岩石的电性差异(即电阻率差异)为基础。高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法,野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上,然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集。最后通过电阻率差异来判断勘察地区的地质情况[5]。高密度电法特点是适用性广,快捷且具有较高精度。但容易受地形的影响、旁侧影响,探测范围有限,多解性。

(3)弹性波反射法

弹性波反射法利用人工激发的地震波、声波在不均匀地质体中产生的反射波特性,预报隧道开挖工作面前方的地质情况。弹性波反射法适用于划分地层界线,查找地质构造,探测不良地质体的厚度和范围[1]。实例中具体使用的是 TSP法,全称为隧道地震波法(Tunnel Seismic Prediction),其原理是通过小药量爆破所产生的地震波信号沿隧道方向以球面波的形式传播,在不同的岩层中地震波以不同的速度传播,在其界面处被反射,并被高精度的接收器接收。通过计算机软件分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况等,最终在显示屏上显示各种围岩构造界面与隧道轴线相交所呈现的角度及距工作面的距离,并可初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数以供参考[6]。该法具有用时短,费用低,对影响隧道施工小,探测距离较长,但易受采集条件影响,影响数据准确性,对三维空间个体探测可能不足。TSP法探测示意见图2。

图2 TSP系统探测示意

2 工程实例

2.1 工程概况

某隧道位于我国西部,地处剥蚀构造中山地貌。缓坡和低洼地带分布第四系全新统松散土层,下伏基岩为二叠系玄武岩夹凝灰岩,岩体节理裂隙发育,完整性较差,全风化带及强风化带厚,且全风化带具中—强膨胀性。地下水主要为二叠系玄武岩夹凝灰岩中的基岩裂隙水。DIK59+650～DIK59+900段中独木桥南断层交隧道轴向于DIK59+670～DIK59+690段,围岩设计级别为Ⅴ级,其余部分为Ⅲ级,围岩为玄武岩夹凝灰岩,弱风化带,已开挖部分围岩破碎、含水。如图3所示。

图3 地质纵断面

2.2 超前钻探法结论

通过超前钻探,在不同位置得到的岩样破碎程度及钻孔中水的流量,结合铁路隧道围岩分级标准[7],对隧道未开挖部分围岩级别进行划分：DIK59+650～DIK59+660段为 Ⅳ级；DIK59+799.6～DIK59+814.5段为Ⅳ级；DIK59+814.5～DIK59+838.8段为Ⅴ级；DIK59+838.8～DIK59+868.2段为Ⅳ级；DIK59+868.2～DIK59+900段为Ⅴ级。

2.3 可控源音频大地电磁法结论

通过CSAMT工作得到成果图(见图4),结合对应地质信息与判释标准,认为在DIK59+650～DIK59+900段围岩为含水、较软弱或较破碎,富水、软弱、破碎或含暗色矿物的岩体,特别是在DIK59+760～DIK59+875段视电阻率(ρs)值极低,一般小于60 Ω⋅m,推测围岩为富水、软弱、破碎或含暗色矿物(如铁、镁等低阻矿物)的岩体,施工中要预防涌水或塌方。结合铁路隧道围岩分级标准[7],对隧道未开挖部分围岩级别进行划分：DIK59+650～DIK59+760段为Ⅳ级；DIK59+760～DIK59+875段为 Ⅴ级；DIK59+875～DIK59+900段为Ⅳ级。

图4 可控源音频大地电磁勘探成果

2.4 高密度电法结论

通过高密度电法工作得到成果图(见图5),结合对应地质信息与解译标准,认为在DIK59+650～DIK59+900范围内DIK59+650～DIK59+760段,由于视电阻率主要在60～900Ω⋅m之间且受构造影响严重,岩石破碎,地下水丰富,呈线流、雨淋、股状涌水。围岩稳定性差,特别是凝灰岩夹层遇水软化易坍塌；在DIK59+760～DIK59+900段内视电阻率大于1 800Ω⋅m,受构造影响严重,地下水丰富,呈滴水—雨淋状,围岩稳定性一般,拱部无支护会出现坍塌。结合铁路隧道围岩分级标准[7],对隧道未开挖部分围岩级别进行划分。DIK59+650～DIK59+760段：Ⅴ级；DIK59+760 ～DIK59+900段：Ⅳ级。

图5 高密度电法勘探成果

图6 TSP 2D成果

2.5 弹性波反射法结论

使用TSP203进行几次探测,通过数据处理,可以得到一系列数据成果(如图6和图7),结合开挖地质资料可以得到：DIK59+650～DIK59+678段围岩破碎,富水；DIK59+678～DIK59+722段围岩极破碎,推测为独木桥南断层及其影响带,富水；DIK59+722～DIK59+750段围岩破碎,富水；DIK59+750～DIK59+785段围岩破碎,含水；DIK59+785～DIK59+846段围岩破碎,含水；DIK59+846 ～DIK59+855段围岩破碎；DIK59+855～DIK59+880段围岩破碎,富水,其中DIK59+879～DIK59+867段节理裂隙发育、极破碎,施工时需加强支护；DIK59+880～DIK59+887段围岩破碎,含水；DIK59+880～DIK59+900段围岩破碎,含水。

图7 TSP速度分析成果

结合铁路隧道围岩分级标准[7],对隧道未开挖部分围岩级别进行划分：DIK59+650～DIK59+750段为Ⅴ级；DIK59+750 ～DIK59+855段为Ⅳ级；DIK59+855～DIK59+880段为Ⅴ级；DIK59+880 ～DIK59+900段为Ⅳ级。

2.6 开挖围岩与四种预报方法结论的对比

隧道开挖后,DIK59+650～DIK59+900范围内,DIK59+660～DIK59+700段围岩主要为黑、灰黄褐色强风化玄武岩,并有3 cm泥化夹层；DIK59+700～DIK59+770段围岩主要为黄、灰、红褐色强风化玄武岩,并有泥化夹层,DIK59+785～DIK59+760段涌水,水量为350 ～420 m3/h；DIK59+810 ～DIK59+890段主要以玄武岩为主,局部出现凝灰岩,呈青灰、灰褐及黄褐色。

根据施工时实际情况,围岩级别与超前钻探法、可控源音频大地电磁法、高密度电法、弹性波反射法(TSP法)四种方法结论推测围岩级别的对比见表1。

表1 围岩级别对比

从表1中不难得出,单一方法难以准确预报未开挖段的实际情况,有时反而有较大差距,但当将四种方法的结论和地质基础信息进行综合考虑,就可以从宏观到具体上得到较为准确的预报结论。按图8中的流程,将地质信息和各单一方法结论交互对比,融合,最后得到优化后的预报结论,这就是为什么要进行综合超前地质预报工作的原因。