超前地质预报技术在断层破碎带中的综合应用

赵守全 朱兆荣

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000； 2.青海省冻土与环境工程重点试验室，青海 格尔木 816000)



超前地质预报技术在断层破碎带中的综合应用

赵守全1朱兆荣2

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000； 2.青海省冻土与环境工程重点试验室，青海 格尔木 816000)

根据红土山隧道地质特征，采用TGP206地质超前预报系统、地质雷达预报及钻探相结合的方法，对岩层破碎带进行地质超前预报；并对比分析了红土山隧道断层破碎带的预报成果与实际开挖围岩地质状况，验证了超前地质预报结果的准确性，说明超前地质预报在隧道施工中应用的必要性和多种预报手段结合的重要性。

隧道，超前预报，断层破碎带，TGP

0 引言

红土山隧道位于玉树州结古镇与隆宝镇交界处，为单洞双向行驶隧道，隧道长3 020 m，根据勘察资料所示，该隧道与多条断裂破碎带相交，受断裂影响，岩体十分破碎，小揉曲、小褶皱十分普遍，稳定性很差，地下水类型为裂隙水、孔隙水，且富水性较好，隧道开挖易产生崩塌，在K25+000附近存在F5断裂，为了保证施工安全，需要综合多种超前预报手段对该F5断层的起始位置、宽度、破碎程度、含水量等信息详细把握。设计资料中F5断层与设计里程桩号在K24+950～K25+030间相交，但超前预报资料显示在K24+950～K25+020段围岩较前方无明显变化，表明该段尚未进入F5断层，在K25+020处开始进入到F5断层，K25+020～K25+080段为断层破碎带，设计明显与实际围岩情况存在偏差，F5断层后移，而且宽度较设计也小了20 m，超前预报准确的把握该段的围岩情况，为施工单位的安全施工提供了强有力的技术支撑。

1 红土山隧道工程概况

隧址区地貌类型属冰缘水流构造侵蚀中高山地貌，地形起伏较大，隧道轴线通过路段地面标高4 280.00 m～4 582.00 m，相对高差约302 m。隧道主要沿山林斜坡穿过，隧址区地表植被发育主要为高山草甸。

木模采用木工字梁模板体系。模板整体高度4.65m,每模混凝土浇筑高度4.5m。面板为21mm进口芬兰板；竖向背楞为H20mm木工字梁，设置间距不超过300mm；横向背楞采用双14#槽钢。面板采用φ5mm自攻自钻螺钉钉在H20mm木工字梁上，H20mm木工字梁采用木梁连接爪和槽钢背楞相连成整体。木模的优点是重量比钢模轻，则优先选用木模。

1)玉树—甘孜断裂(F1)：西起乌兰乌拉湖北，经过治多县南、隆宝至玉树进入四川，最后延伸至川藏交界金沙江一线与四川甘孜附近的鲜水沟断裂相交，青海省境内长约700 km，总体呈北西西—北西展布，倾向东北，倾角40°～83°，目前为逆断层，北盘(上盘)二叠系上逆于南盘(下盘)三叠系、第三系之上。该断层遭遇华力西中期生成，使石炭系、二叠系出现南北差异。印支期曾以断层复活，形成较宽的破碎带及三角面山，作为北界控制了三叠系的分布。喜山期有强烈活动并至今不息，是一条发震断裂。

经过长期的实践，美国的历史游径、历史公园等从规划建设到运营维护，均充分发挥了公众参与的优势，一方面增加了建设和维护资金来源，减轻了政府的财政压力；另一方面通过建立与公众和企业的良好合作关系，实现了公共服务设施的长线运营和可持续发展，降低了维护的成本和损耗的风险，其中标识系统由于数量较多、制作简单和形式多样，是便于公众和社会力量介入的载体之一。以韦弗利镇历史游径标识系统为例，政府大力鼓励居民出资众筹建设标识，捐助费用可用于包括标识牌内容设计、标识牌制作和安装等。为更好的促进公众参与，标识的内容和位置在条件允许的情况下，尽可能满足认捐人的需求，如署名或广告推广等[10]。

该断裂与设计里程桩号K24+200～K32+600相交；距隧道进口约90 m。断裂带的上盘为二叠系的板岩、砂质板岩，受断裂影响，岩体十分破碎，小揉曲、小褶皱十分普遍，线盘为第三系紫红色砂岩、泥质砂岩等。断裂带内物质主要为断层泥、断层角砾，夹灰岩透镜体。

TGP206隧道地质超前预报探测系统，是采用地震波反射回波方法来探测前方围岩的变化。

2 TGP超前预报技术工作原理

2)F5断裂：该断裂层为逆断层，呈近南北向走向，倾向西北，倾角约为75°，上下盘均为二叠系板岩，延伸长度约1 500 m，宽约80 m，与隧道相交于K24+950～K25+030范围内，为安全起见，将范围向两侧各扩大50 m，即将K24+900～K25+080段设计为Ⅴ级断层破碎带，如图1所示。断层及其影响破碎带，围岩以断层角砾岩为主，[BQ]值小于250，围岩埋深较浅，稳定性很差，隧道开挖易产生崩塌，开挖时需加强支护，地下水类型为裂隙水、孔隙水，富水性较好。雨季施工地表水沿裂隙入渗在洞壁形成面状或线状水流，需加强支护及截排水措施。

1)掌子面开挖至K24+860处超前预报成果：从掌子面开挖至K24+860处的成果图可以看出(见图4)，围岩横波在K24+870处速度稍微变大，说明围岩在K24+870后富水程度有一定的增加；在K24+885处开始纵波速度不断的降低，有多个较严重的反射界面，说明前方围岩不断变差，施工时一定要注意。K24+860～K24+960段，围岩从K24+870处明显变差，富水程度增加，围岩的纵波波速下将，围岩特性下降。

3 F5断层破碎带预报的实施

拉压机及数据采集系统(OM-8650，欧美奥兰仪器有限公司)、单粒水分测试仪(CTR-800ET，日本Shizuokaseiki)、电热恒温鼓风干燥箱(DGG-9070B，上海森信实验仪器有限公司)、PME型光电自动数粒仪(上海珊科仪器厂)、电子精密天平、电子数量卡尺 (0～100mm 分辨率 0.01mm)、钢板尺。

为了精确把握该段围岩的实际情况，分别在掌子面开挖至K24+860，K24+956，K25+042时采用TGP超前预报方法对隧道前方围岩做了超前预报，当掌子面开挖至K25+020时发现掌子面围岩进入断层破碎带，又采用雷达法对掌子面前方围岩进行了精确预报，发现雷达波形非常紊乱，采用超前探水方法发现前方围岩含水量大，掌子面描述情况见表1。

表1 红土山隧道掌子面围岩情况汇总表

地震波震源采用小药量炸药激发产生，炸药激发在隧道边墙的风钻孔中，通常24个炮孔布置成一条直线。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一个(如图2所示),通过逐个引爆激发孔中的小药量炸药获取地震波震源，地震波以球面波形式向三维空间传播。传播过程中地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播，这种反射波被布置在隧道内的检波器接收，输入到仪器中进行信号放大、数据采集和处理，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，在一定间隔距离内连续采用上述方法，结合施工地质调查，可以得到隧道围岩的地质力学参数，如动弹性模量、动剪切模量和动泊松比参数等，最终达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的，探测原理见图3。

2)掌子面开挖至K24+956处超前预报成果：从掌子面开挖至K24+956处的成果图可以看出(见图5)，围岩纵波在K24+960～K25+014段速度起伏大，反射界面多，说明围岩K24+960～K25+014段围岩为断层破碎带，围岩结构复杂；在K24+960～K25+014段横波变化界面多，波幅有所增加，说明这段围岩不富水性有所增加，但程度有限。在K25+014～K25+080后，纵波波速有一定程度的提高，横波保持稳定，说明：在K25+014之后，围岩岩体特性整体有所提高，富水性弱。

红土山隧道K24+900～K25+200开挖后，对实际开挖围岩、设计围岩情况、超前预报围岩情况进行了对比分析，发现：

4 预报效果分析

3)掌子面开挖至K25+042处超前预报结果：从掌子面开挖至K25+042处的成果图可以看出(见图6)，围岩纵波在K25+042～K25+100段纵波起伏大，反射界面多，说明围岩K25+042～K25+100段围岩为断层破碎带，围岩结构复杂；在K25+042～K25+090段横波变化界面多，波幅有所增加，说明这段围岩节理裂隙水较发育。在K25+100后，纵波波速有小幅度的提高，横波保持稳定，说明：在K25+100之后，围岩岩体特性整体有所提高，存在少量的节理裂隙水。

在开挖接近K24+950前，参战各方对前方围岩非常重视，但K24+950～K25+020段虽然围岩较前方变差，但都明显较好于设计的F5断层，围岩开挖至K25+020处明显进入F5断层破碎带。富水程度明显严重，围岩节理裂隙发育，岩体破碎。

国外对于计算机犯罪在立法上起步比较早。如美国1987年颁布《联邦计算机安全处罚条例》，法国1978年在全国范围内对网络数据信息进行法律保护［2］。在2004年生效的欧洲理事会制定的《关于网络犯罪的公约》（以下简称《公约》）是打击网络犯罪尤其是国际网络犯罪的立法中最有影响力，也相对最为完善的规范性文件。

在K24+860处的地质超前预报是成功的，但由于K24+860～K25+014段围岩差，预报仅能对K24+860处掌子面前方围岩的大致发展趋势成功预报，预报的精度相对不够；在K24+956处的预报并不成功，原因在于：地震波在破碎地层的能量衰减快，穿透能力低，致使K25+020后的数据为无效数据，即干扰数据，于是在K25+020处采用雷达法，发现K25+020前方围岩的雷达波波幅较大，波形紊乱，局部频率较宽，说明掌子面前方围岩较为破碎，节理裂隙发育，含有节理裂隙水，雷达图像如图7所示，结合超前探水法确定K25+000～K25+020段围岩破碎，存在节理裂隙水；在K24+042处的超前预报是成功的，开挖情况与预报情况相符，开挖围岩揭示在K25+080处穿过F5断层，预报显示在K25+088处围岩向好，基本上二者的偏差在土木工程中是可以接受的,具体情况如表2所示。

帕帕国建国之初，大人们对孩子们是否能治理好自己的国家持怀疑态度，整天忧心忡忡。孩子们的爸爸、妈妈、爷爷、奶奶、外婆、外公……时不时地往帕帕国寄钱、寄营养品、寄食物、寄玩具……生怕孩子们没钱用、穿不暖、吃不饱、玩不好……大人们寄来的汇款单和包裹多得可以覆盖住帕帕国100万平方公里的土地。但所有的东西和钱都被孩子们原封不动地退了回去。他们不想做寄生虫，他们要用自己的劳动来养活自己，他们需要学会自立。

表2 设计与实际开挖情况对比表

5 结语

TGP隧道超前预报已在隧道超前地质预报中广泛应用，该方法有明显的优点和缺点，主要总结为以下几点：

1)TGP隧道超前预报技术具有预报距离长，能探测出前方的围岩变化、节理发育、富水性等地质变化等，这些是其他超前预报手段无法达到的，如探地雷达法、超声波法、超前钻孔法等，因而对指导隧道安全施工起着关键性作用，在隧道施工中也得到了广泛的应用。

2)TGP隧道超前预报技术在掌子面前方围岩较为单一的情况下预报准确率高，但当掌子面前方围岩复杂，如破碎地层，地震波衰减量大，采集到的有效信息少，预报准确度较低。

3)对地质情况复杂的围岩，应该在以TGP隧道超前预报技术预报的基础上，必须采取其他超前预报手段予以辅助，避免一种预报手段的失效或失败而引起的误报，应做到多种预报手段结合，提高隧道地质预报的准确度。

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[2] 邱兴友，郭新新，胥 杰.TGP206隧道地质超前预报仪在断层破碎带探测中的应用[J].工程与建设，2012(6)：95-97.

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Comprehensive application of advance geology prediction technology in fault fracture zone

Zhao Shouquan1Zhu Zhaorong2

(1.ChinaRailwayNorthwestScienceAcademyCo.,Ltd,Lanzhou730000,China; 2.QinghaiFrozenSoil&EnvironmentEngineeringMajorLaboratory,Golmud816000,China)

According to the geological characteristics of Hongtu Mountain tunnel, adopt TGP206 geological prediction systems, ground penetrating radar method and drilling forecast method to verify the rock crusher zone, contrast Hongtu Mountain tunnel forecasting the outcome of the fault fracture zone with the actual geological conditions of surrounding rock excavation to verify the results of advanced geological prediction accuracy, and proof the importance of the need for geological prediction in tunnel construction applications and a variety of forecasting methods combined.

tunnel, advance prediction, fault fracture zone, TGP

1009-6825(2016)11-0180-04

2016-02-02

赵守全(1981- )，男，工程师； 朱兆荣(1983- )，男，工程师

U452.11

A