综合超前地质预报技术在预报断层破碎带中的应用

2018-07-04李小虎

山西建筑 2018年15期

李小虎

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司，湖北武汉 430000)

1 概述

目前隧道超前预报的手段主要有地质调查、地质雷达、TSP、瞬变电磁、陆地声纳等[1]。单一的物探成果具有多解性及解译水平有限，使得解译成果往往和实际有较大误差[2,3]。地质调查与物探相结合，能够使预测精度大为提高，这一点已在工程人员中形成广泛共识。

断层是分布十分普遍的一种构造形式。线性延伸的隧道很难避免。它不同程度地破坏了岩体的完整性和连续性,大幅度降低了围岩的强度、增强了导水和富水性。对施工安全构成很大威胁,是预报的重要内容。

孙广忠在军都山隧道施工地质超前预报中运用构造节理统计分析的方法取得成功。然而不足的是该方法只能定性预测断层的出现，具体出现位置却不能判断[6]。刘志刚基于断层影响带中的Ⅰ1节理特点，提出断层参数预测法预报隧道断层，能够预测断层出现的具体位置，但是该方法只适用于岩层视倾角不大于30°的沉积岩分布区域开挖隧道[7]。

2 基本原理

谷振德在《岩体工程地质力学基础》一书中详细阐明构造节理与构造应力保持一定内在联系，并认为只要掌握它们的规律性，即可推断它们形成时构造应力场和构造应力方式[5]。

一般来说断层破碎带有以下前兆：节理组数急剧增加，有时会出现弧形节理形成的小型旋钮构造或反倾节理、小断层，出现岩层的牵引褶曲或牵引褶皱，岩石强度明显降低，逆断层会出现压裂岩，平移断层会出现密集节理带[8]。基于上述地质理论，可以通过地质调查，来对前方岩体地质构造作出定性判断。

物探法主要有TSP探测、地质雷达探测和红外线探测，各种方法各有优缺点。

通过地质调查结合物探法能够形成互补，最大限度对前方岩体的构造性质、规模、位置作出判断。

3 应用效果举例

3.1 栋梁坡隧道

栋梁坡隧道全长9 268 m，最大埋深298 m。位于云贵高原向湘西丘陵过渡地带之武陵山余脉,是沪昆客运专线贵州段控制性工程。

根据设计资料，隧道通过区地层岩性为变余砂岩夹变余凝灰岩、绿泥石板岩。隧区发育有坡脚断层，位于隧道出口沟槽中。得够坡断层，与隧道交于DK507+100地表。爱和断层与隧道交于DK505+950地表。摩碑断层，与隧道交于DK502+600地表。隧道掘进由出口向进口方向(见图1)。

3.2 地质调查统计分析结论

表1 空间结构面特性

里程结构面特性DK508+150两组节理面,J1产状142°∠90°,节理间距0.3 m左右,延伸长度3.5 m～4.0 m,密闭,平直;J2产状72°∠65°,节理间距0.6 m,延伸长度2.0 m～3.0 m,密闭,平直。地下水不甚发育DK508+111四组节理面,J1产状125°∠20°,节理间距0.2 m,延伸长度1.5 m～2.5 m,微张为主,平直,无充填;J2产状60°∠40°,节理间距0.5 m,延伸长度0.5 m～0.8 m,密闭,平直;J3产状40°∠23°,节理间距0.3 m～0.5 m,延伸长度0.3 m～1.5 m,开张,粗糙,石英岩脉充填;J4产状23°∠52°,节理间距1.5 m～2.5 m,延伸长度3.0 m～5.0 m,开张,粗糙,石英岩脉充填。局部可见岩层的牵引褶曲DK508+089岩体十分破碎,可见6组主要节理面,J1产状105°∠28°,节理间距0.1 m,延伸长度3.5 m～5.0 m,微张为主,平直,无充填;J2产状78°∠32°,节理间距0.4 m,延伸长度0.4 m～0.6 m,密闭,平直;J3产状50°∠44°,节理间距0.2 m～0.3 m,延伸长度0.8 m～2.8 m,开张,粗糙,石英岩脉充填;J4产状25°∠33°,节理间距1.0 m～4.5 m,延伸长度2.0 m～4.0 m,开张,粗糙,石英岩脉充填。其余为两组羽状节理,石英岩脉充填。局部可见岩层的牵引褶曲

通过对节理裂隙的空间形态进行统计分析，随着，构造作用明显，节理裂隙更发育，同时可见断层破碎带标识性的地质构造形态，据此可定性确定前方存在断层的可能性较大。但断层具体出现位置及断层破碎带范围尚不能确定，需要超前预报通过物性差异辨识予以判断。

各掌子面空间结构面特性见表1，节理裂隙如图2～图4所示。

3.3 TSP超前预报分析

根据上述地质基础分析结果，采用TSP203plus系统进行长距离预报。图5为探测结果分析图，预报范围为DK508+150～DK508+051。

DK508+150～DK508+111段物性参数波动不大，未见明显反射界面或绕射界面，预测出露岩性应为板岩，中厚层状，较之于掌子面岩层产状变化不大；节理裂隙发育情况没有明显变化；岩体较破碎，弱风化；地下水不甚发育，可能出现渗水、滴水现象，建议围岩分级为Ⅳ级。

DK508+111～DK508+089段物性逐渐变差，纵横波波速值降低，泊松比变大，动弹模量变小，预测该段出露岩性应为板岩；节理较之前一预测段更加发育；岩体更趋破碎，弱风化；地下水更趋发育，出现渗水、滴水的可能性变大；围岩稳定性差，出现掉块的可能性较大。结合地质调查结论分析认为，该段可能为断层影响带，建议围岩分级为Ⅴ级。

DK508+089～DK508+051段(图6中黑圈部分)物性参数变化大，纵、横波波速明显大幅降低(Vp由4 390 m/s降为4 130 m/s，Vs由2 530 m/s降为2 270 m/s)、泊松比明显增加(由0.25增大到0.28)、弹性模量显著降低(由42 GPa降为34 GPa)。反射界面异常密集，物性较差。结合地质调查结论分析认为，推断DK508+089～DK508+051为断层破碎带。预测该段出露岩性应为碎裂岩、断层角砾；岩体很破碎；地下水可能十分发育，出现渗水、滴水的可能性很大，不排除出现股水、涌水的可能，建议围岩分级为Ⅴ级。

3.4 综合预报结论及实际开挖结果

结合地质调查结论分析及TSP超前预报分析，分别定性与定量确定隧道掘进前方地质体情况，推测结果见表2。从表2中可以看出，利用地质调查综合TSP推断的结果无论是在构造性质的判定还是具体位置的推测上，精度都更高，对于具体施工过程的指导意义也更强。

表2 综合预报结论及实际开挖结果

序号里程地质调查及TSP推断结果实际开挖结果1DK508+150～DK508+111节理裂隙较发育;地下水不甚发育。建议围岩分级Ⅳ级节理裂隙较发育;无地下水2DK508+111～DK508+089岩体破碎;地下水更趋发育;围岩稳定性差,出现掉块的可能性较大。建议围岩分级Ⅴ级岩体破碎;出现滴水渗水,局部掉块3DK508+089～DK508+051预测该段为断层破碎带;岩体很破碎;渗水、滴水的可能性很大;围岩稳定性很差,易出现掉块、塌方等失稳现象。建议围岩分级Ⅵ级断层破碎带;渗水、滴水严重;掉块严重,局部出现坍塌