综合超前地质预报在鹧鸪山隧道断层带的应用

曹放,付振华，蒲超

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059；2.四川公路工程咨询监理公司，四川成都610059)

汶马高速鹧鸪山隧道位于四川省阿坝州理县境内，双线总长度17 582 m，施工期为2014年8月至2018年2月，采用双向钻爆法施工，起讫地面标高3 050～4 624 m，最大埋深约1 350 m，属特长深埋隧道，施工地质条件复杂，也是目前全国在海拔3 000 m以上贯通的最长高速公路隧道。隧道出口在掘进至K184+150～K186+140 m段时，受钻金楼倒转背斜等构造影响，围岩节理裂隙增多，时有小型断层夹破碎带出露，围岩强度骤降使得施工遭受地质灾害风险大大增加。因此，有必要加强超前预报工作，采用体系完善、可靠性高的综合超前预报方法，预测隧道前方围岩的信息，为隧道施工掘进方案提供参考依据。

隧道施工期间，利用各种勘探手段着手解决地质问题，经过数十年的发展，已经由单一物探工具的集中预测发展到了多物探手段与地质分析紧密结合的综合超前地质预报。

李术才等[1-3]通过对各种超前预报方法的分析和研究，建立了“洞内外结合，长短结合，地质与物探结合，不同物探方法结合”的综合超前地质预报体系，优化超前地质预报的工作流程。李天斌等[4]根据隧道施工的地质预报研究提出“以地质分析为核心，综合物探与地质分析相结合，洞内外结合，长短预测结合以及物性参数互补”的综合预报原则，针对不良地质情况建立综合分级评价体系，采用模糊神经网络方法对综合超前预报的结果进行分析，在摆脱人为经验判断方面进行了尝试，是综合预报结果分析方法的一个进步。

在这些综合预报思路的基础上，通过典型隧道地灾案例的实践检验，可以进一步弥补或完善这些理论体系，这也是提高行业超前地质预报水平的必由之路。

1 鹧鸪山隧道断层带概况

汶马高速鹧鸪山隧道穿越地层主要有第四系全新统(Q4)、三叠系上统新都桥组(T3x)、三叠系上统侏倭组(T3zh)和三叠系中统杂谷脑组(T2z)。深部出露围岩主要为(炭质)千枚岩，板岩，变质砂岩。构造单元属马尔康北西构造带，即米亚罗断裂带以西，松岗—抚边河断裂带以东，为一系列呈北西—南东向展布的线状紧密褶皱，并伴有数条同方向展布的压扭性断裂。区内断裂主要为松岗—抚边河断裂、米亚罗断裂、毛孟楚断裂、赤马梁断裂。现代应力场的方向为NWW—SEE向，最大主应力方向主要在N50°W～N70°W，但在断层带附近，最大主应力方向会受断层影响而发生偏转，鹧鸪山隧道埋深500 m左右，其最大水平主应力为13～18 MPa。隧址区主要受钻金楼倒转背斜，米亚罗压扭性断层(F5)影响，围岩级别主要为Ⅲ～Ⅴ级，易发变形崩塌。地下水主要为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水，隧道内出水随季节性变化显著。

2 F5断层地质分析

基于勘察设计资料及已建国道317鹧鸪山隧道工程类比[5]，汶马高速鹧鸪山隧道K184+150～K186+140 m段主要受钻金楼倒转背斜、米亚罗压扭性断层综合影响，共穿越5条断层，总宽度超过1 km。其中F5断层(图1)在隧道表面里程为K186+729～K186+514 m，其埋深最大，平均约960 m。F5断层地表产状为NNE6°SE∠52°，上盘上升、下盘下降，拖拉褶皱发育，属压扭性逆断层。两盘地层计有三叠系杂谷脑组、侏倭组及新都桥组砂板岩，岩石甚为破碎，破碎带宽达40～100余米。局部可见断层擦痕，地形上风化后形成对头沟和断层垭等断层地貌。

图1 鹧鸪山隧道F5断层位置示意

为进一步划定断层影响到隧道洞身的位置，可采用地质界面投影法[6]。即

(1)

式中Ls——隧道经过该断层时的里程，m；L0——沿隧道轴线经过该断层时的地表里程，m；h——隧道轴线埋深，m；β——断层的真倾角，(°)；θ——断层走向与隧道轴线夹角，(°)；ω——隧道轴线与断层倾向夹角，(°)；sign(cosω)——符号函数。

以此确定F5断层带在隧道线的位置为K186+624～K186+409 m，洞身跨断层带厚度约150 m。隧道洞身侧壁经过主断层带宽度约50 m。

3 综合超前预报

3.1 掌子面跟踪分析及预测

掌子面在掘进到K186+536～K186+437 m段时，以变质砂岩、板岩为主的围岩中夹杂了大量泥质夹层(图2)，选取该段典型围岩K186+532 m处地质素描图，图3为现场围岩情况，节理裂隙大量增加，分布紊乱，RQD约30%，裂隙密集处多处可见裂隙渗滴水。地质分析预测前方围岩可能存在不同厚度软弱层，需要物探或钻探进一步探明。综合考虑，决定在该段进行多手段物探预报，结合表1，典型地质单元的物探方法优选原则[4,7-10]，基于钻爆法施工地质环境，优选了TSP+GPR的联合探测模式。

图2 K186+532 m 处掌子面地质素描

图3 K186+532 m 掌子面现场围岩情况

3.2 TSP采集及预测

在TSP探测过程中，仪器采用TSP200探测系统，选择在K186+586～K186+536 m段隧道右壁傍山侧边墙设置24发激震炮孔及双侧边墙各一地震波接收孔。控制炮孔间间距约1.5 m，孔深1.5 m，倾角方向角整体相差不到15°，均匀每孔乳化炸药药量至100 g，填水泥封保证激震震波效果。整个探测过程在所有工程器械停工后进行，无现场干扰和邻洞脉冲干扰。探测结果最终取得了较清晰的结果。

表1 钻爆法施工典型地质单元的物探方法优选原则

注：A、B、C、D 分别表示针对不同目标地质单元种类，各方法准确度为高、较高、较低、低

图4所示，TSP探测围岩纵波波速Vp、横波波速Vs、纵横波比Vp/Vs，泊松比σ、密度ρ、动态弹性模量Е成果曲线，结合图5，解译分析如下。

a) K186+612～K186+556 m段：从探测数据成果曲线可以看出，段内围岩纵(Vp)、横波(Vs)波速相对掌子面围岩变化起伏甚小；Vp/Vs较平稳；密度ρ、弹性模量E整体也较平稳；推测实际地质情况与掌子面相差不大。

b) K186+556～K186+504 m段：段内围岩Vp较之前段总体下降，Vs也有所下降，但在K186+530～K186+520 m段特殊段Vp、Vs均略有上升；整体Vp/Vs较平稳，较之前段略有上升；密度ρ、弹性模量E整体下降，在特殊段略有上升。反射层面综合为弱负反射层，考虑围岩RQD长期较低的影响，推测段内围岩整体完整性较比前段及掌子面有所降低，出水量也有所增加。

c) K186+504～K186+464 m段：段内围岩Vp、Vs较前段有异常起伏；Vp/Vs较之前段下降，应是受完整性变差的影响而非水造成；密度ρ、弹性模量E整体也很不稳定，偏低，ρ约2.3～2.6 g/cm3，E约35～40 GPa。反射层面综合为强负反射层，推测在K186+496～K186+484 m异常起伏段围岩完整性就大幅降低，可能出现约12 m范围破碎带。

图4 TSP探测围岩Vp、Vs、Vp/Vs，泊松比、密度、动态弹性模量成果曲线

图5 TSP探测围岩反射层位波速异常

为进一步探明TSP预测破碎带边界及范围，在超前物探预报方面，攫取GPR利用电磁波信息作进一步详测。

3.3 GPR采集及预测

在GPR探测过程中，仪器采用SIR-20探测系统，通过TSP长预报整体预测结果和掌子面跟踪记录，选取在掌子面K186+520 m段针对TSP预测高风险单元K186+520～K186+490 m进行基于电磁参数的GPR预测。在二台阶开挖的掌子面选择上下2条测线进行探测，下测线离地1 m，上测线离地2 m，将天线贴合在掌子面上，一边移动天线，一边通过雷达测量系统采集信息。整个过程尽可能排除掌子面附近金属器械影响，探测环境比较理想。

图6表明，雷达剖面中探测时间50～400 ns的区域，转换为掌子面前方约4～25 m内的未开挖范围，即K186+516～K186+495 m。该段内雷达信号同相轴呈现不同程度错断，高振幅能量，变化快，波形杂乱，尤在K186+516～K186+495 m段掌子面左侧距边墙4～8 m范围内极可能含强破碎区域。

图6 GPR 波形剖面

4 综合超前预报与检验

4.1 综合超前预报结果

表2 综合超前地质预报成果

在综合地质分析法与TSP+GPR多元物探的成果之后，最终拟定了掌子面前方强破碎区域为K186+516～K186+484 m段掌子面左侧距边墙4～8 m范围，其余预报成果见表2。

4.2 K186+500 m破碎带小坍塌实例

通过将综合超前预报结果汇报给施工单位，施工方采取了一定措施控制了开挖进度，边开挖，边衬砌。经开挖掘进，实际围岩在隧道K186+512～K186+497 m段出现了破碎带(图7)，仅与预报位置滞后了4 m，覆盖率达到了70%，说明了预报成果的准确高效。

图7 K186+512～K186+497 m 破碎带围岩情况

图8 2015年10月6日K186+500 m 拱顶坍塌

2015年10月6日凌晨3时50时分，掌子面在经过K186+500 m处出现了拱顶坍塌(图8)，堆积物扩散到掌子面前方约40 m，塌方量约4 300 m3。因掘进速度有所放缓加上准备及时，所幸并无人员伤亡和器械损失。

5 结语

通过采用综合超前地质预报的分析方法，成功实现了对鹧鸪山隧道K186+512～K186+497 m破碎带的有效预报，通过及时与施工单位沟通，一定程度上降低了坍方事故发生的突然性，经验及结论如下。

a) 隧道在经过断层带的时候，尤其要重视超前预报工作，及时高效地预知未开挖里程的围岩情况，能有效降低灾害性事故酿成惨剧的概率。

b) 此次成功的超前预报，关键经验在于灵活地运用了综合超前地质预报理论。从地面的宏观地质调查开始，将断层带一步步缩小，以掌子面地质编录为记录和跟踪依据，结合物探工具，利用TSP反射地震波法，长距离把握围岩的完整性变化信息，GPR进行短距离针对性探测，利用电磁参数消除水的影响并进一步划分破碎带边界，再结合长期地质跟踪成果，形成最终的地质预报。本例实现了理论与实践的充分结合，物探与地质分析的交叉运用。

c) 物探信息的后期解译既需要物探技术能手，更需要长期的地质工作经验，只有能将二者充分结合，才能实现真正的综合超前地质预报。

d) 本文的案例具有良好的典型性，把物探解译和地质分析经验总结了出来，全程的方法可操作性强，可借鉴性强，所用仪器皆为超前预报的常用工具，可为类似隧道提高超前预报成功率提供参考。