超前地质预报在某水平层状砂泥岩隧道中的应用

孙光吉 满 君 刘平岗 闫常赫 苏传进 尤学文

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055;2.北京工建标图书发行公司，北京 100055)

超前地质预报出现在20世纪的中后期，是工程地质学的一个分支。我国在这方面的研究始于20世纪70年代，近几十年来也有了很快的发展[1-6］。超前地质预报是地面综合勘探在施工阶段、施工场地条件下的延续，旨在对足以引起地质灾害不良地质体的位置、规模及危害程度做出分析判断并预警，为规避施工风险，做好技术准备工作争取充裕的时间。其中常见的地质灾害有隧道内较大型的突水、突泥现象，不良地质体则有断层、岩性接触带及具有一定规模的岩溶等。

水平层理砂泥岩是铁路隧道中常见的围岩，其显著特征是围岩产状近水平，层理为其主要结构面。泥岩、砂岩、泥质砂岩干燥时，围岩自身强度较好，遇水浸泡后易软化，一捏即碎，泥质胶结遇水则失去黏结力[7-9］。这些特征决定了水平层状砂泥岩隧道拱顶、拱肩等部位受节理及层理面切割成的块体在重力作用下极易产生块体失稳。因此，除了及时支护，还需加强超前地质预报，以探测砂泥岩厚度变化及所夹土层的位置变化。

结合某水平层状砂泥岩隧道，详细介绍相关超前地质预报的方法及应用流程等内容，并将探查数据的分析结果与现场开挖后的实际情况进行对比，最后对超前地质预报的应用进行分析与总结。

1 工程概况

该隧道区地层岩性主要为第四系上更新统砂质黄土和中更新统粉质黏土，基岩主要为二叠系上统石千峰组泥岩夹砂岩，下石盒子组砂岩夹泥岩和刘家沟组中细粒砂岩、粉砂岩，局部夹薄层同生砾岩及砖红色泥岩。隧道走行在砂、泥岩地层，产状平缓，存在平层问题。砂岩为相对透水层，泥岩为相对隔水层，地下水局部具承压性，地层分界及断层附近易产生突泥、突水;泥岩具弱膨胀性，耐风化性差，遇水易软化。

地下水主要为基岩裂隙水。二叠系上统石千峰组的泥岩含量较多，阻水性较好，三叠系下统刘家沟组主要为砂岩，两组垂直节理较发育且能形成贯通的水力通道。因此，在石千峰组和刘家沟组的接触带时常有泉出露，多为下降泉，且流量较大，勘察期间埋深大于50 m，地下水主要依靠大气降水补给。

2 超前地质预报的应用

关于超前地质预报各种方法原理的介绍已有很多，此处不再赘述。本文仅就该隧道采用的几种方法进行介绍和数据分析。该隧道主要采用的是长距离探测与短距离探测相结合，物探与钻探相结合以及地面观察与洞内探测结合的综合探查方法，即先通过TSP203预测前方100～150 m范围的地质变化，再应用超前水平钻、超长炮孔对TSP203探测到的不良地质体进行确认，在此过程中不间断地进行地质素描。素描频率应根据该段落的地质条件作相应调整，高危段落每开挖循环需进行一次，一般地段每10～20 m进行一次，以便动态掌控围岩地质条件。超前地质钻孔，加长炮孔的位置、孔深、数量以及是否取芯等参数情况，应由地质人员根据TSP203预报成果，并结合工作面附近的地质情况综合分析再确定。

2.1 TSP 203预报探测

(1)预报数据采集

测点位置:预报时工作面位于DK300+228里程处，在DK300+143里程处布置预报接收孔，接收孔距工作面85 m。

测线测点布置(见图1):在隧道右侧边墙的同一水平线上，由外向里布置一个传感器钻孔和21个炮孔。传感器钻孔距第一个炮孔19 m，炮孔间距1.5 m，炮孔高度1.5 m，最后一个炮孔距工作面36 m。

图1 侧线测点布置(单位:m)

地震波激发:采用爆炸震源激发地震波，每炮约50 g乳化炸药。

(2)资料分析

资料处理流程如图2所示。

图2 资料处理流程

预报原则:在地质解释中，以P波(纵波)剖面资料为主对岩层进行划分，结合S波(横波)资料对地质现象进行解释，并遵循以下原则[10，11］。

①正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。

②若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。

③Vp/Vs(纵横波速比)增加或δ(泊松比)突然增大，常常由于地下水的存在而引起。

④若Vp(纵波波速)下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

(3)TSP 203预报结论及建议措施

TSP203探测总体结果显示为节理裂隙较发育，岩体较破碎，局部地下水较发育，围岩稳定性较差。各段具体情况、结论和建议措施如下。

DK300+228～DK300+233(5 m):强—弱风化泥岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，泥岩易失稳，建议严格按照设计施工。

DK300+233～DK300+273(40 m):强—弱风化泥岩，节理裂隙发育，岩体破碎，地下水较发育，渗水，围岩稳定性较差，易坍塌，建议该段再进行加深炮孔法地质预报探查，应注意防排水并及时支护。

DK300+273～DK300+320(47 m):强—弱风化泥岩夹砂岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，泥岩易失稳，建议及时支护。

如图3所示，DK300+233～DK300+273(40 m)与前后两段有明显差异:

图3 TSP隧道超前预报二维成果

①Vs(横波波速)有微小变化，可忽略不计。

②Vp下降，说明裂隙密度增加，节理裂隙较发育。

③Vp/Vs或δ下降后，又陡然上升，说明可能有流体的存在。

鉴于以上推断，该段地下水较发育，节理裂隙较发育，围岩软硬相间，容易失稳，初步确定为不良地质体，需要进行超前水平钻探复核，同时提高地质素描频率。

2.2 超前水平钻复核

(1)钻探方法

采用冲击钻，虽不取芯，但可通过冲积器的响声、钻速，以及岩粉、卡钻情况、钻杆震动情况、冲洗液的颜色及流量变化等因素，粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度及地下水发育情况。

(2)技术要求

孔深:钻孔深度应在钻探过程中进行动态控制和管理，根据钻孔情况可适时调整钻孔深度，以达到预报的目的为原则;在需连续钻探时，一般每循环可钻30～60 m;连续预报时前后两循环钻孔应重叠5～8 m。

孔径:钻孔直径应满足钻探取芯、取样和孔内测试的要求，并应符合《铁路工程地质钻探规程》(TB10014－98)的相关规定。

孔位:可以根据地质预报的异常区域并结合施工条件进行布置。

(3)超前水平钻探结果与分析

DK300+233～DK300+273(40 m)超前水平钻分两次进行。DK300+233～DK300+262分别于工作面取两孔施做，1－1孔位于工作面拱顶，钻孔部位为泥岩，钻孔过程中有出水现象，渗水量为3～5 m3/h(见图4)。1－2孔位于工作面中部，钻孔部位为泥岩，钻孔过程未见有水(见图5)。DK300+257～DK300+286施做位置不变，1－1孔钻孔过程中有出水现象，渗水量为3～5 m3/h，钻孔部位岩体为砂岩夹泥岩。1－2孔钻孔过程未见有水，岩体为砂岩夹泥岩。由此推断，随着开挖，渗水位置将上移至拱顶，可能影响隧道开挖支护。但随着开挖继续，岩性可能发生变化，有变为砂岩的可能。超前水平钻的结果与TSP203的预测基本一致，基本能够确定该不良地质体的段落。

2.3 开挖验证结果

(1)DK300+228工作面开挖揭示为砖红色泥岩，强风化，泥质较软，厚—巨厚层构造，厚度大于0.5 m，产状近水平状，节理裂隙不发育，局部破碎。工作面表面干燥，底部有水渗出，围岩自稳性较差，常有掉块。DK300+228～DK300+232段围岩基本与TSP203探测工作面一致(见图6)。

图6 DK300+228工作面围岩

图7 DK300+233工作面围岩

(2)工作面开挖至DK300+235附近时，自DK300+230开始不断出现边墙开裂，粗略估计有十多条开裂，最宽处达十余厘米。现场采取不断喷护的措施，并增加临时套拱，以保证安全。

(3)自DK300+232开始，工作面的泥岩局部出现松散，工作面潮湿，不断有泥岩小块垮落(见图7)。施工单位在初支后，及时喷护封闭工作面，并保留一部分“核心土”，有效控制了工作面的纵向位移[12］。

(4)自DK300+253附近开始，拱顶中部及右侧出现渗水，水量约2 m3/h。

(5)DK300+274～DK300+292工作面变干燥，上半断面中部泥岩上下部皆为砂岩，且泥岩不断向下发展，上半断面砂岩逐渐变厚(见图8、图9)。

图8 DK300+274工作面围岩

图9 DK300+292工作面围岩

(6)DK300+292～DK300+320上部为砂岩，拱腰以下为泥岩。砂岩层间结合差，拱顶常有掉块。工作面中部右侧砂泥岩结合处渗水，水量不大。

2.4 预报结论分析

该预报段范围内，隧道围岩主要是水平层状砂泥岩，这就决定了影响其稳定的因素主要是水及拱顶至拱肩的岩性及层厚。结合超前地质预报结果，得出以下结论。

①DK300+228～DK300+233(5 m):现场开挖围岩情况与超前地质预报结果一致，工作面主要为泥岩，在没有水的情况下，围岩相对稳定，施工安全基本能够保证。

②DK300+233～DK300+273(40 m):超前地质预报显示该段为高度风险段落，开挖后验证了预报结果的准确性，且工作面自DK300+232附近出现潮湿。这是因为随着工作面开挖，围岩应力重分布，工作面围岩的应力最低，前方围岩内的地下水在高应力的作用下移动至工作面，这需要一些时间。对于工作面围岩局部松散掉块，甚至局部垮塌，超前地质预报已经预见到，现场提前加强了支护，没有出现问题。随着开挖进行，结合高频率的地质素描，这些问题可以预见并能够及时加以处理。

③DK300+273～DK300+320(47 m):现场开挖结果与超前地质预报结果基本一致，工作面为砂岩夹泥岩，节理裂隙较发育，局部渗水。但拱顶横向砂岩层间结合差是没有预测到的，这需要现场不断提高地质素描质量来实现。在开挖的同时，可在隧道拱部采用钻机打设3～5个径向钻孔，以探知岩层层理分布及厚度，据此预测前方拱部围岩分布情况，发现岩石覆盖层厚度减小等异常，应及时调整施工方案及支护措施，确保施工安全，这是对超前地质预报的有效补充。

3 结论

(1)在熟悉设计地质资料的基础上，不同的围岩性质应选用不同的超前地质预报方法，如该水平砂泥岩层，虽然水量不大，但水的浸泡仍是砂泥岩软化失稳的最主要因素，所以水的预报乃重中之重。

(2)鉴于水平砂泥岩层的特殊性，在预报确定围岩岩性后，应加强其拱顶、拱肩支护，防止掉块乃至大的变形。

(3)TSP203等在含水构造的预报上仅从定性上有较高的准确率，但对含水构造的定量预报仍不够精确，且出水里程段落与现场可能有出入，这与隧道开挖改变了地下水的径流模式有很大关系;原先的地下水排泄渠道发生改变，地下水在水头差下由前方或者顶部转移至隧道工作面。

(4)超前地质预报长、中距离探测对工作面前方围岩岩性，完整性的判别精确度很高，但现场施工中必须跟进地质素描，以便随时掌控地质情况及围岩变化，并充分考虑地下水可能造成的影响。

(5)TSP203、超前水平钻对工作面前方横向结构面(尤其水平砂泥岩的层理面)的探测不够精确，必要时，可于拱部施做径向钻孔，以探测拱顶岩层层理及厚度，以便及时调整支护措施，确保施工安全。

(6)超前地质预报是多种预测手段的综合系统，要保证预报的精确性，必须坚持多种方法相结合的原则，才能减少漏报、误报，最大程度地规避施工风险，确保施工安全。

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