综合地质超前预报在策马村隧道斜井探测中的应用

胡世权

(中铁十四局集团，山东 济南 250061)

新建太兴铁路TXXS-2标段策马村隧道在区域地质构造上属于古交掀斜地块，位于以古交为中心的三角形地区，属于五台山块隆的南部。其中部被晋中新裂陷的北部断陷叠加而分割成两部分，地块内的地层展布为南新北老，总体向SSE缓倾。局部地段显示一些规模较大的断裂和褶皱，构造线方向大多呈NE向和NEE向。隧道主体穿越其南部。

隧道主体段地质构造发育，有断层穿越洞身。断层带内基岩破碎，呈碎石角砾状，岩性以白云岩和石灰岩为主，钙泥质胶结。同时，全线地形复杂，地质条件差，前期勘察工作不可能完全探明岩体的构造、状态、特性，特别是滑坡、断层破碎带和崩塌等不良地质体的位置。导致沿线隧道施工过程中经常出现突水、涌泥和塌方等安全事故，造成重大的经济损失和人员伤亡。因此，为了保证施工安全，减轻地质灾害损失，开展超前地质预报研究尤为必要。

策马村隧道是太兴铁路线上第一长大隧道，全长6 872 m。隧道地质条件复杂，地质构造带发育，大小断层破碎带穿越洞身，施工难度极大，稍有不慎，会严重危及施工安全。因此，本文以策马村隧道斜井为工程背景，经过现场地质详勘、TSP超前地质预报、地质雷达超前预报、超前地质水平钻孔，并结合工程地质资料，对策马村隧道斜井洞内含水或夹泥构造及断层位置、发育情况进行了综合地质超前预报，并开挖揭露验证效果，以期为项目的稳步推进提供可靠保障。

1 综合地质超前预报技术

针对地质分析原理、TSP中长距离预报、地质雷达中短距离预报与超前水平钻孔4种预报方法的技术特点，确定了铁路长大隧道施工综合地质超前预报技术流程，如图1所示。分析过程具体为:

1)分析勘察报告，局部区域地质详勘，探明施工区域主体穿越的地层岩性、地质构造特点，重点排查洞口端出露岩体的不良地质和水文地质情况，为隧道超前地质预报提供前期准备资料。

图1 综合地质超前预报技术流程

2)针对主体施工段不良地质体位置，选择合适的预报方法综合超前预报。即先采用较准确的中、长距离TSP地震波超前预报系统进行探测［1］，探明不良地质体与掌子面的空间位置关系。当掌子面开挖至不良地质体附近时，采用地质雷达与超前水平钻孔进行中、短距离补充预报，得到不良地质体更为精确的相关位置与岩性、水含量信息。

通过以上综合预报流程，最终达到提高预报精度的目的，降低施工作业过程中的风险。

2 策马村隧道斜井综合地质超前预报

2.1 地质分析

策马村隧道斜井开挖主体段处于奥陶系中统石灰岩与白云岩，寒武系上统白云岩、中统页岩，太古界社堂村组片麻岩中，构造断层发育密集，主要以强风化～全风化碎裂结构形式存在。岩体层面以水平为主，出露大部分呈碎裂镶嵌结构，软弱泥质夹层充填，局部大碎裂构造岩层倾角变化频繁，有较大面积的裂隙水溢出，且地表降水易顺层而下，渗入隧道，从而使隧道成为新的地下水排泄口。隧道整体施工环境复杂，地质条件差。

图2 反射面二维视图与预报岩体物性参数

2.2 TSP探测分析

首先采用TSP203 plus隧道地质超前预报系统［2］对策马村隧道斜井进行了超前地质预报。震源点位于策马村隧洞斜井右侧墙，设计24炮，实际激发22炮，接收器置于策马村隧道右边墙内。接收器位置为K0+59.85，掌子面位置为 K0+118.00。数据采集时采用X－Y－Z三分量检波器接收，采样间隔62.5 μs，记录长度451 ms(采样数7 218)。预报距离为掌子面前方128 m(即桩号为 K0+118—K0+246)。

通过TSPwin2.0软件进行处理，获得地震波振动传递过程中穿过的前方地质岩体的物性参数，如图2所示。

根据图2及TSP其它预报结果，对预报段内地质情况进行阐释，解释结果见表1。

根据TSP探测结果，掌子面前方随着里程的增大，岩体含水量逐渐增加，至 K0+235附近有突水涌泥的危险。其中，K0+159，K0+186附近岩体破碎，有小型构造碎裂带发育;K0+194附近岩体破碎，可能发育有小型断层结构。建议施工时加强超前支护和防水工作，防止塌方或突水涌泥等工程事故的发生。

表1 TSP预报解释结果

2.3 地质雷达细部探水监测

前期TSP宏观探测结果显示，K0+235位置附近有突水涌泥的危险，为了详细推断隧道裂隙水的实际发育情况［3-4］，利用地质雷达对 K0+235段开展了一次短距离超前预报探测工作，工作天线频率为100 MHz，采集样本512个，隧道K0+235位置附近雷达探测结果如图3所示。

图3 K0+235位置附近地质雷达探测结果

分析图3可知，K0+235位置附近为富水区域，含水量较大，以裂隙水为主。预报范围内局部发育小型富水结构，可能导致周边破碎岩体发生软化，结构失稳。

2.4 超前水平钻孔分析

根据超前水平钻孔取样分析结果与钻孔冲洗液颜色变化判断，开挖部位前方左侧发育有一富水结构，右侧含水量无明显变化。岩石由较完整的灰岩逐渐变得破碎，夹泥质软弱层，整体岩质较软，强度变化较快。

2.5 综合超前预报和实际开挖情况对比

经施工开挖验证，K0+232— K0+238附近揭露一处富水结构，宽0.75 m，横向延伸6 m，斜向下延伸，涌水量较大，静储水量较大，随静储水释放完，涌水量逐渐减小。

综合宏观地质分析、现场地质详勘、TSP超前地质预报、地质雷达超前预报与超前水平钻孔分析检测结果，与实际开挖出露情况对比。结果显示，在策马村隧道斜井综合超前预报技术成功预报了掌子面开挖过程中可能出现的突水、涌泥、构造断层等不良地质情况，为隧道的安全施工和正线的顺利贯通提供了强有力的帮助。

3 结论

本文对太兴铁路策马村隧道斜井突水涌泥与断层碎裂带位置进行超前地质预报，由实际开挖掘进和预报结果对比分析可知，预报效果整体良好，能主动采取积极手段避免突水、涌泥不良地质情况的发生，总结起来，可得以下结论:

1)综合地质超前预报技术首先进行隧址区详勘，并经宏观地质分析，探明隧道开挖部位所在区域的地质情况;然后采用中、长距离的TSP超前地质预报系统进行探测，明确不良地质体的大致空间位置与岩性特征;最后采用地质雷达并结合超前水平钻探进行中、短距离精确预报，确定不良地质体的实际位置［5-7］。

2)含水、突泥隧道施工的安全与超前地质预报紧密相连，实际掘进开挖与预报结果对比分析的结果显示，本文采用的综合地质超前预报流程能更为准确地预报不良地质情况，对在建铁路公路隧道工程具有一定的借鉴和指导意义。

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