综合超前地质预报技术在林家屋基隧道施工中的应用

2016-09-16许亚军

西部探矿工程 2016年6期

关键词：林家节理岩体

许亚军

（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津300133）

综合超前地质预报技术在林家屋基隧道施工中的应用

许亚军*

（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津300133）

在高风险隧道的施工过程中，超前地质预报工作是保证隧道施工安全的重要环节和技术手段。当前，国内外超前地质预报中均还存在很多难题。结合林家屋基隧道的施工，详细介绍了综合超前地质预报技术的主要内容及其在林家屋基隧道施工中的应用情况，望能够为广大同行提供有价值的借鉴。

高风险隧道；超前地质预报；综合超前地质预报技术

随着国民经济的不断发展以及西部大开发战略的深入实施，公路、铁路等交通设施的建设规模逐年扩大，其中所涉及到的隧道的长度和埋深都加大了，地质条件越来越复杂，施工的工况越来越恶劣。特别是在我国的西南地区，由于以岩溶地貌为主，在隧道的施工中经常会遇到突泥、突水及岩溶塌方等地质灾害，常常会造成工期的延误，更有甚者会造成重大的设备损失和人员伤亡。因此，为了保障隧道安全快速的施工，有效降低施工过程中地质灾害的影响，准确快速地进行超前地质预报就成为了隧道施工的必然要求。

在以往的隧道超前地质预报工作中，一般是采用单一的超前地质预报方法，预报隧道工作面前方的地质信息。然而，人们通过长期大量的实践发现，仅仅依靠单一预报方法提供的信息是非常有限的。特别是在高风险隧道中，由于地质结构复杂，地质灾害频发，单一方法不能提供全面的预报信息，可能造成地质灾害的漏报和误报。为了解决单一方法预报不全面的问题，根据预报对象的地质特点，采用2种或2种以上有效的预报手段进行预报，结论相互印证，提供更为全面的地质预报信息，这就是综合超前地质预报。

1　林家屋基隧道概况

林家屋基隧道位于贵州省盘县境内，是沪昆高铁的重点工程之一。隧道起讫里程为DK925+ 435～DK931+365，全长5930m。隧址区内最高点位于隧道北侧的山顶，海拔高程1780m，最低点位于隧道东侧的沟谷，海拔高程1280m，相对高差500m。隧道工程地质条件复杂，集瓦斯、岩溶、断层破碎带、软弱围岩、危岩、落石于一体，属高风险隧道。隧道洞身穿越多条断层、节理密集带、可溶岩与非可溶岩接触带，施工中容易出现坍塌、涌水、突泥等安全风险，隧道涌水量大（预计隧道正常涌水量为18062m3/d，雨季最大涌水量为39239m3/d）；隧道进口至DK925+930处洞身通过龙潭组煤系地层，经测试，瓦斯压力最高处达0.75MPa，为瓦斯突出区段，施工风险极大。

2　林家屋基隧道综合超前地质预报施工组织

遵循超前地质预报的基本原则，针对林家屋基隧道地质复杂程度高、地质灾害类型多的现状，并结合现有各超前地质预报手段的优缺点，特此制定了林家屋基隧道的超前地质预报的施工组织方案，如下：

（1）地表调查：对隧道范围内地形、地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件，不良地质作用等进行进一步的全面核查。

（2）洞内地质素描：对隧道全段（包括正洞和横洞）进行地质素描。

（3）TSP超前探测：采用TSP超前探测，重点查明隧道岩体完整性、软弱结构面、断层破碎带、裂隙发育带规模、大小、发育位置。对隧道进行贯通性探测。

（4）红外探测仪超前探测：采用红外线探测仪对隧道前方掌子面水文地质条件进行探测，宏观掌握掌子面前方短距离（大约30m）范围内的富水带位置及富水情况。

（5）地质雷达：采用地质雷达对可溶岩段、向斜核部、侵入接触带、软硬岩接触带、断层及其影响带或TSP超前探测发现的异常地带，进行短距离精确探测，精确查明岩溶裂隙发育位置、大小规模、形态、充填及富水状况以及断层破碎带、裂隙发育带位置、规模、接触带岩体完整性等工程地质及水文地质条件。沿线隧道均为岩溶隧道，故对各隧道均进行贯通性探测。

（6）超前地质钻孔：对于隧道可溶岩岩溶弱发育段，采用一孔超前探孔贯通，对于岩溶中等—强烈发育及复杂地段（勘察期间发现的断层破碎带、褶皱地段、沟谷地段、可溶岩与非可溶岩接触带、裂隙发育带、岩脉出露带及其他预报手段探测到的异常地段）必要时采用多孔探测；重点复杂地段（其他预报手段探测到的重大异常地段）采用超前地质探孔进行超前验证探测。

（7）地质综合分析：对全隧道进行地质素描，记录现场揭露的地质信息，并综合上述各种探测方法获得的地质信息，通过综合分析，预测预报前方工程地质及水文地质条件。

3　综合超前地质预报在林家屋基隧道应用中的典型工程案例分析

3.1地表调查及地质素描法工程案例

调查区域为林家屋基隧道横洞往出口里程为D1K930+186～+216，为侵蚀、溶蚀构造中山沟谷地貌，东高西低，山体高大，地形陡峭，相对高差较大。调查区域内基岩多裸露，地表上覆粉质粘土，下伏基岩为三叠系中统关岭组一段（T2g1）泥岩夹泥灰岩，地下水类型主要为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水，水量贫乏至中等，局部较富水。该段围岩为泥岩、泥灰岩灰岩、灰岩，弱风化，岩体整体较破碎—破碎，岩体强度5～30MPa。岩层层面不清晰，层间结合较差，岩层产状N55°W/65°S，节理发育，主要发育两组节理J1：N37° E/60°S；J2:N58°W/80°S，节理间距8～32cm，微张型，无充填。地下水整体不发育，局部滴渗水（图1）。

图1　隧道掌子面D1K930+186处地质素描

3.2TSP法工程案例

TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（通常在隧道的左或右边墙，大约24个炮点）用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过TSPwin软件处理，可以获取掌子面前方岩石的弹性模量、密度、泊松比、杨氏模量等参数，据此便可了解隧道工作面前方不良地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）、位置及规模等。预报距离一般为100～150m。

图2　TSP203原理示意图

在D1K930+144里程处进行的TSP203探测结果显示（见图2）：D1K930+144～+189段围岩整体破碎，为软岩夹较软岩，软岩为主，节理裂隙发育。其中在D1K930+147～+158及D1K930+162～+189段为溶蚀破碎带或软弱夹层；D1K930+189～+243段围岩整体较破碎，局部破碎，为较软岩夹软岩，较软岩为主，节理裂隙较发育，围岩稳定性一般。其中在D1K930+ 202～+220段为软弱夹层；D1K930+243～+264段围岩整体较完整，围岩强度变强，为硬岩夹较软岩，以硬岩为主，节理裂隙较发育。其中在D1K930+245～+246段为软弱夹层。除在D1K930+147、D1K930+189、D1K930+220、D1K930+243附近存在线状水外，其余地段地下水整体不发育。

3.3地质雷达法工程案例

地质雷达法预报属于短距离预报，每次预报距离为30m，搭接5m，采用瑞典MALA-X3M地质雷达探测，本次选取的案例为D1K930+186处施作的探测实例（图3、图4），结果显示：该段围岩整体破碎，岩体以软岩夹较软岩为主，节理发育，岩体稳定性较差。其中在D1K930+194～+200及D1K930+205～+214段为节理密集带，且在D1K930+193附近发育一溶蚀裂隙。地下水整体不发育。

3.4红外探测法工程案例

红外探测法是通过分析围岩的红外辐射场强值来确定地下水发育情况的一种预报方法，主要是通过红外辐射场强的值的最大差值以及波动情况来判断地下水的发育状况的。在D1K930+186处施作的红外探测结果显示：（1）掌子面岩体上均匀布置20个测点的红外辐射场强数值最大值为322μW/cm2，最小值为315μW/cm2，差值为7μW/cm2，小于允许的安全值10μW/cm2；（2）根据现场所测左边墙脚、左边墙、拱顶、右边墙、右边墙脚、底板中线的辐射场强值（从掌子面往已开挖段每隔5m布置一个测点）绘制曲线，可以看出：往掌子面方向，红外辐射场强值曲线起伏较小范围内地下水整体不发育。

图3　地质雷达剖面图

图4　地质解译图

3.5综合预报分析结论

综合预报分析就是根据该段所施做的地质素描、TSP、雷达、红外探测及超前地质钻探等结果进行相互比较、验证和综合，去伪存真，得到较为可靠的综合预报结论。对本文中的D1K930+186处所施作的地质素描、TSP、地质雷达及红外探水等预报手段进行综合，可以得到以下的预报结论：此段30m岩体整体破碎，岩体以软岩夹较软岩为主，节理发育，岩体稳定性较差。其中在D1K930+194～+200段和D1K930+205～+214段为节理密集带，且在D1K930+193附近发育一溶蚀裂隙。除在D1K930+189附近存在线状或股状出水外，其余地段地下水整体不发育。