铁路隧道断层破碎带超前地质综合预报应用——以浦梅铁路莲花山隧道F14断层预报为例

张 龙

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

在铁路勘察中，查明沿线的工程地质条件是工程设计的基础性工作[1]。但地质条件所涉及的天然岩土体与结构工程研究的钢筋混凝土不同，是亿万年自然历史的产物，随环境、气候等形成条件的不同而具有不均匀性、不确定性、复杂性[2]。隧道工程作为地下工程，在勘察设计阶段，受勘察技术水平及勘察精度的影响，完全查明其工程地质条件存在较大困难。因此，在施工阶段开展超前地质预报工作，对隧道开挖工作面前方的工程地质条件及不良地质体进行探测，为预防隧洞涌水、突泥、围岩失稳等可能形成的灾害性事故提供预警，成为隧道安全施工及快速掘进的重要技术保障。目前，超前地质预报已作为铁路隧道施工的必要工序纳入铁路总公司质量安全红线管理[3-4]。

超前地质预报工作也日益受到设计单位、施工单位、高等院校及科研院所等各方人员的重视。李金介绍了TRT技术在济青高铁青阳隧道超前地质预报中的应用，认为该方法在硬质岩条件下预报效果较好[5]；朱自强等在不良地质体数值模型的基础上进行了地质雷达超前地质预报的正演模拟研究[6]；苏涛等探讨了地质雷达在公路隧道岩溶洞穴超前地质预报中的应用[7]；薛翊国等介绍了TSP203在岩溶隧道探测中的应用[8]；李术才等在多年超前地质预报研究工作基础上，针对TSP超前地质预报地震波反射特性，总结了断层破碎带、溶洞等不良地质体在TSP探测中判释准则[10]；刘新荣等利用TSP等手段对公路隧道高压富水区的超前地质预报应用进行了研究[11-12]。以上研究均取得了一定的研究成果，但在一定程度上忽视了地质条件的复杂性，且测试手段较为单一，造成了预测结果不够准确。

断层或断层破碎带作为地质上的不连续体，是隧道施工过程中最常遇见的地质构造之一，会不同程度地破坏岩体的完整性和连续性，降低围岩强度。研究表明，塌方、突水和涌泥等洞内地质灾害多与断层及其破碎带有关[13]。以浦梅铁路莲花山隧道F14断层预报为例，对大型断层破碎带超前地质综合预报应用进行深入研究。

1 超前地质综合预报工作体系

主要遵循以现有地质资料分析及地质调查为基础，长短距离物探方法为手段，超前地质钻探+加深炮孔验证，对多手段预报方法结果进行综合分析，进而得出预报结论的工作体系[14]。

采用的主要方法有以下几类。

(1)地质调查法

主要为隧道地表补充地质调查，洞内掌子面地质素描。

(2)物探法

主要为地震波反射法(TSP)、地质雷达探测(GRP)等。

(3)超前钻探法

主要包括超前地质钻探、加深炮孔探测。

2 工程概况及方案设计

2.1 工程概况

莲花山隧道是浦梅铁路的控制性工程，位于福建省建宁县均口镇与宁化水茜乡交界处，隧道呈北北东方向展布。该隧道穿越武夷山脉低山丘陵区，全长10.5 km，为单洞单线隧道，最大埋深380 m，设计速度为160 km/h。作为单线隧道，其施工作业面狭窄，一旦发生洞内地质灾害，工期制约因素明显。

2.2 工程地质条件

(1)地层岩性

依据勘察阶段大地电磁(EH-4)物探成果(如图1所示)及地质勘察资料[15]，在DK268+925～DK268+975段洞身范围内围岩电阻率变化剧烈，推断该处存在断层破碎带(记为F14)，属莲花山隧道的极高风险段落。

图1 大地电磁显示断层情况

本段地表以下至隧道洞身范围内地层岩性(如图2所示)主要为第四系更新统残坡积粉质黏土、志留系侵入花岗岩(全-弱风化)，隧道埋深190～250 m，地下水位埋深25～30 m，洞身附近水头高度为160～220 m。设计围岩分段：DK269+000～DK269+025为Ⅲ级、DK268+925～DK269+000为Ⅳ级、DK269+725～DK268+925为Ⅱ级。

图2 设计资料断层附近地层情况

根据本线隧道超前预报实施细则，为准确预报该断层特征、围岩情况，选择DK268+725～DK269+025段(共300 m)进行超前地质综合预报。

(2)水文地质条件

地表以下至隧道洞身范围内地下水主要为构造裂隙水、基岩裂隙水，水源补给的主要来源为大气降雨入渗。基岩裂隙水主要赋存于花岗岩的强、弱风化层节理裂隙带中，此类地下水的分布随岩性、节理裂隙发育程度的不同而异，赋水性也极不均匀，且受大气降水入渗补给影响，动态变幅随季节变化较明显。构造裂隙水主要分布于断裂破碎带内，断裂带及其影响带一般节理裂隙较发育，有利于大气降水沿节理裂隙渗透。

2.3 超前预报方案

根据设计阶段地质勘察资料，除F14断层外， DK268+725～DK269+025段地质条件较简单，其围岩分级见表1。超前地质预报方案需视现场围岩地质条件的变化而进行动态设计。

表1 超前预报方案设计

3 超前地质综合预报应用及效果分析

3.1 DK268+900～DK269+025段

(1)超前地质预报情况

TSP探测及地质调查显示，DK 268+900～DK 269+030范围测试情况如图3所示。

图3 波速、泊松比、模量、纵视图测试情况

由图3可知，该段纵波波速较高，波速为5224～5875m/s，泊松比呈缓慢变化，为0.15～0.27，纵视图情况与波速情况基本一致。因此，可认为该段围岩岩质较硬，岩体较完整，局部裂隙较发育，围岩稳定性较好。

DK268+925～DK269+000段雷达测试结果如图4所示，未见明显异常。

图4 DK269+000～DK268+925段雷达测试示例(单位：m)

(2)开挖揭示情况

根据DK268+900～DK269+025段的隧道开挖情况，如图5所示，显示隧道围岩为肉红色夹青灰色弱风化花岗岩，掌子面有渗滴水，无其他明显异常，故认为该处围岩基本能达到Ⅲ级。

图5 DK268+940掌子面开挖围岩地质情况

3.2 DK268+725～DK268+900段

(1) 超前地质预报情况

基于前一段无明显异常，在开挖至DK268+910掌子面时，按原设计开展了DK268+910～DK268+791段TSP测试工作。测试情况如图6所示。

图6 波速、泊松比、模量、纵视图测试情况

由图6可知，该段围岩纵波波速较高，波速为5 029～5 680 m/s、泊松比、杨氏模量整体平稳，泊松比为0.12～0.2，杨氏模量为72～80 GPa；纵视图情况与波速等情况基本一致，推测围岩整体情况较好。

如图6所示，两处竖线间(DK268+822～DK268+807段)较前后岩体横波波速下降幅度较大(由3 320 m/s降至3 140 m/s)，泊松比显著增大(由0.2升至0.28)，推测该段围岩含水量大幅上升。

针对异常情况，根据超前地质综合预报动态设计理念，对DK268+825段采用地质雷达探测，同时为提高准确性，增加了TSP测试叠加长度， TSP测试结果如图7所示。

图7 波速、泊松比、模量、纵视图测试情况

由图7可知，该段纵波波速在DK268+800～820段较低，波速为3 436～3 922 m/s；横波波速在DK268+800～820段及DK268+758～782段较低，波速分别为2 386～2 477 m/s、2 492～2 516 m/s；泊松比在该段均处于较高值，为0.2～0.3；纵视图显示，围岩整体波速偏低，反射界面较多，与波速等情况基本一致。经初步分析，DK268+780～820段可能为断层破碎带，DK268+760～780段为断层影响带，DK268+760掌子面以前岩体较完整。

由图8可知，雷达测试反射界面密集，同相轴连续性差，且偏移或错断较多，低频反射能量较强。推断该处围岩节理裂隙发育，岩体破碎，稳定性差，易掉块，易塌方，地下水发育。

图8 DK268+825～805段雷达测试示例

根据以上物探测试结果，认为有必要实施超前地质钻探取芯，以验证前方围岩地质情况。故在掌子面设计水平钻，分别位于DK268+825掌子面中线右1.5 m、左1.0 m，DK268+830.6右边墙，分布情况如图9所示。

图9 水平钻情况示意(单位：m)

①水平钻一：钻探孔深18 m，根据取芯结果，0～2.6 m岩芯较破碎，2.6～6 m见断层泥夹层，6～18 m岩芯破碎，因钻机功率原因，断层破碎带未钻穿，如图10所示。

图10 水平钻一取芯情况

②水平钻二：取芯22 m，揭示0～6 m岩芯较破碎，6～9 m见泥质夹层，9～22 m岩芯破碎，破碎带未钻穿。

③水平钻三：取芯19 m，揭示0～2.4 m岩芯较破碎，2.4～6 m见泥质夹层，6～18 m岩芯破碎，18～19 m岩芯较完整。

对以上物探测试、超前水平钻资料进行综合分析，认为DK268+780～825段处于F14断层破碎带，DK268+760～780段受断层影响，节理裂隙带较发育，DK268+760以前围岩岩体较完整。因此，建议 DK268+780～825段按Ⅴ级围岩考虑，DK268+760～780段按Ⅳ级围岩考虑，DK268+760以前一定范围按Ⅲ级围岩考虑。

(2)开挖情况

根据DK268+825～900段开挖情况，揭示隧道该段围岩岩体完整，掌子面为青灰色夹肉红色弱风化花岗岩，掌子面有渗滴水，未见其他异常情况。

根据隧道DK268+775～825段开挖情况，开挖至DK268+822时，隧道掌子面发生涌水，水流呈股状涌出，最高出水量达921 m3/h，经过抽排水后，稳定出水量为100 m3/h左右。分析表明，断层破碎带储存的大量构造裂隙水释放完后，基岩裂隙水水量较稳定，即基岩裂隙水水量约为100 m3/h。

开挖揭示，DK268+775～825段(如图11、图12)掌子面呈黄褐色-棕红色，全-强风化，部分段落夹泥质充填，节理裂隙发育，隧道洞身范围处于断层破碎带，这与超前地质预报结论基本相符。根据围岩情况及综合预报结果确定围岩级别：DK268+775～825段为Ⅴ级，DK268+760～775段变更为Ⅳ级，DK268+725～760段按原设计。最终采用超前注浆及管棚支护等措施顺利通过该断层破碎带。

图12 DK268+795掌子面及右边墙开挖围岩情况

根据DK268+725～775段开挖情况，揭示隧道该段围岩岩体较完整，掌子面为青灰色夹肉红色弱风化花岗岩，掌子面有线状滴水-渗滴水，仅在DK268+760～775段节理相对发育，其他段基本无异常，最终按原设计顺利通过。

3.3 小结

上述情况表明，DK268+775～825段F14断层属典型的大型断层破碎带，具有宽度大、节理裂隙发育、地下水丰富等特征。断层破碎带作为不规则、不连续的地质体，在地表有露头时容易识别，但隐伏型断层在地下时很难识别。在勘察阶段，主要依据钻探、物探(如大地电磁)等手段来进行探测，但钻探受限于孔位，一孔之见，难窥全貌；物探受隧道埋深，断层与隧道的空间位置关系，多解性等限制，很难确定断层破碎带的准确位置。通过地质调查、物探远距离探测、超前钻探近距离验证等多手段相结合，成功克服勘察阶段的困难，对该断层位置进行了准确预报。

4 结论

(1)采用超前地质综合预报能够成功克服勘察阶断层破碎带位置难以确定的困难，施工期间的超前地质综合预报工作意义重大。

(2)后续施工开挖揭示，F14断层破碎带与超前地质综合预报所做结论基本相符，对前方围岩岩体破碎及地下水情况预报效果良好，为后续施工方案优化，支护措施选择提供了地质依据。

(3)超前地质预报中，积累断层破碎带等不良地质解译标志可以促进超前预报的发展，但由于地质条件的复杂性，还需要地质工作者依靠经验但不唯经验去判断。