铁路隧道超前地质预报距离的规划与实践

2023-03-16况宇亮徐营营

黑龙江交通科技 2023年2期

况宇亮，徐营营

(1.江苏华通工程检测有限公司，江苏南京 210000；2.东南大学建筑设计研究院有限公司，江苏南京 210000)

1 超前地质预报方法

1994年，Ladislaus Rybach等提出了TSP地震波探测技术[1]。2002年，Rafael Otto等研发了通过超前钻探、导洞和声波探测技术[2]。此后，国内隧道超前地质预报研究工作突飞猛进，由最初的引进和借鉴国外先进技术[3-6]，到后来地质雷达法与瞬变电磁法等[7-11]，提出地质素描、物探和钻探配合，长短距离预报方法共同预报，预报资料和地质分析互相比对的预报思路[12]。而后李术才等进一步阐述了利用地球物理探测定性识别和定量预报不良地质体的空间位置、赋予状态和填充特性的工作目标[13]。舒森[14]、朱保健[15]、周轮[16]等从各自研究方向分别论述了如何将钻探、地质分析、地质雷达法、TSP法同施工开挖相结合，验证预报成果。姜洪亮[17]、苏涛[18]、袁宗征[19]、苏森[20]等对瞬变电磁法进行了大量研究，并通过钻探法验证预报准确性。李术才[21]等对激发极化法进行了尝试，测量半衰时之差参数，并研发了隧道超前探测专用激发极化仪器系统。马金彪[22]、苟德强[23]、周东[24]等在提出了钻探、红外探水、地质雷达、TSP多种方法相结合的综合超前地质预报方法。李术才等还就TBM施工中的超前地质预报方法进行了探讨，提出TBM施工环境要求预报定量化、简单化、快速化、自动化、集成化。汪旭等研究了TBM施工中多元地震干涉法，提出通过长时间叠加反射波能量，来提高合成的反射波图像的质量。徐磊等将综合超前地质预报应用于水工隧道中，创新出了同心圆等炮间距垂直反射法观测系统。王勇等则针对超前地质预报工作实时动态指导施工的需求，提出了基于网络平台的隧道超前地质预报快速响应机制。

1.1 超前地质预报常见方法

铁路隧道施工中常见的超前地质预报方法有：地表补充调查、掌子面素描、洞身素描、加深炮孔、超前水平钻探、超前导坑、地震波反射法(TSP)、电磁波反射法。

地表补充调查:在设计图纸的地质勘察资料基础上，通过实地踏勘隧道区域地表环境，记录岩层褶皱形态、判断断层位置及走向、寻找地表蓄水池及地下水出露点。了解隧址区域的地质条件，运用相关地质理论，对比、分析隧道穿越岩层的工程地质和水文地质情况，识别、判断施工掌子面前方的可能危险源。

掌子面素描:在施工过程中，采用素描、照相、简记等方法对每进尺对掌子面地质情况进行连续记录，旨在掌握已开挖段的围岩地质情况及变化趋势。如对照以往地质预报成果和当前实际地质情况，可以用于改进超前地质预报方法。

洞身素描:对已开挖段的洞身两侧及顶面进行地质素描，记录岩层产状、节理裂隙、出水点，可以更加直观地表现沿着掘进方向的围岩地质变化情况。

加深炮孔:在钻爆法施工中，若干炮孔采取5°左右外倾并比爆破孔(或循环进尺)加深3～6 m的布置形式，在钻孔时观察卡钻、涌水等情况，预告前方近距离的地质风险。

综合地质勘查资料、地表补充调查、掌子面素描、洞身素描、加深炮孔等成果，采用地表地质投影法、掌子面编录预测法。可以根据地层的产出特征、褶皱断裂、节理裂隙发育规律，推断前方的围岩情况，分析掌子面前方可能出现的岩溶、断层、软弱等不良地质位置及规模。

超前水平钻探:是利用水平钻机在隧道开挖工作面进行钻探，可以采用冲击钻或回转取芯钻，钻孔深度30～50 m，在中等距离上准确预告前方富水、溶岩、瓦斯等地质风险。超前导坑原理与超前水平钻探相同，可以直接揭露隧道掌子面前方的围岩地质情况，还可以获得岩石强度等指标，是最直接有效的超前地质预报方法，缺点是需要长时间占用掌子面，中断施工循环，影响隧道施工进度。

地震反射法:是应用最早最广泛的地球物理方法，其特点是通过监测反射的弹性波，对掌子面前方弹性变化明显的异常体分辨率较高。但缺点是对水和空气难以区分，无法判断断层、岩溶是否含水。瑞士安伯格公司研制的TSP传感器采用直线布置方式，对与隧道轴线近似垂直的断层、岩石界面探测效为准确，对于与隧道轴线小角度相交的异常界面识别困难，同时由于无法精确标定掌子面前方的岩石波速，对于异常界面的定位往往不够准确。

电磁波反射法:也称地质雷达法，是为了识别掌子面前方的富水情况被引入到隧道超前地质预报领域。对岩层含水区域较为敏感，但预报距离较短(20～30 m)。为了准确定位地下水、同时消除由电磁波衰减造成的远处分辨率下降，国内外许多机构在上世纪80年代也开始研究钻孔地质雷达探测技术。但由于钻孔占用掌子面施工时间，钻孔地质雷达的应用广泛程度远不及常规地质雷达。

1.2 超前地质预报其他可选方法

除了上述常见方法，可选用的超前地质预报方法还有：水平声波剖面法(HSP)、反射层析成像法(TRT)、陆地声呐法、瞬变电磁法(TEM)、高分辨直流电法(DC)等等。

水平声波剖面法(HSP):是由中铁科研院西南院地质所研发的隧道超前地质预报的技术，有隧道两侧边墙角布设钻孔和贴开挖工作面布置两种工作方式。HSP和TSP同属于弹性波反射法，原理相似，区别主要在于分辨率和预报距离，HSP分辨率较高，TSP预报距离较长。

反射层析成像法(TRT):采用敲击振动产生的横波代替爆破振动产生的纵波，和TSP相比具有较好的理论精度。但受制于隧道施工现场环境各类振动源较多，振动横波成分复杂，实际应用并不广泛。

陆地声呐法:与HSP的贴开挖工作面布置工作方式相似，在掌子面上布置正交测点。陆地声呐法属于极小偏移距地震波法，反射波能量集中，能够提高探测分辨率。对中小规模的溶洞和与隧道轴线小角度相交的异常界面探测效果好。

瞬变电磁法(TEM):是为了探测隧道掌子面前方富水情况，从近地表探测中的瞬变电磁法移植而来。一般采用磁性源向掌子面前方发射激励场，通过检测含水区域的感应涡流来探测掌子面前方的地下水分布，最大探测距离约80 m。

高分辨直流电法(DC):源于通过测定岩石电阻率探矿的传统方法，通过测量计算各测点的视电阻率曲线，对掌子面前方及四周富水风险进行预告。

2 本隧道综合预报体系设计

天马隧道位于福建省，连通永春县和安溪县，隧址是华南褶皱系一级大地构造区，区域经历了多旋回构造演化，该范围内岩浆侵入活动明显。隧道部分区段凝灰质砂岩存在顺层偏压情况，施工中存在一定坍塌风险。同时，局部夹有炭质泥岩、页岩，可能有瓦斯等有害气体富积。断裂构造主要为源自芸美断裂的次级断裂，岩层受到区域内断裂构造影响强烈，节理裂隙较为发育。上覆岩质为第四系全新统坡残积层、坡洪积层的粉质黏土、碎石土及角砾土；下伏基岩包括：侏罗系凝灰熔岩、侏罗系凝灰质砂岩、白垩世花岗岩。隧道开挖可能遇到的地表水和地下水：地表水主要为隧道进、出口附近河水及隧道浅埋段的溪沟水，地下水主要包含第四系岩层孔隙潜水、侏罗系基岩裂隙水。基岩裂隙水则以潜水为主，主要由基岩裂隙蓄水，同时局部有脉状承压水在断裂破碎带中分布。第四系岩层孔隙水少量分布于区域内的河床、溪沟及两岸、缓坡地带，主要由粉质黏土、碎石土及角砾土等组成，孔隙地下水分布区域较小，富水性不高，埋藏较浅，水量较贫乏，受季节性降雨控制，对隧道施工的影响较小。隧道区域地形地貌为低山丘陵，地面起伏较大，海拔220～753 m，相对高差50～430 m，山坡自然坡度5°～40°，隧道进出口位置的土层、全风化层较厚，植被茂盛。根据区域的岩质岩性、构造、水文、地形、地貌条件等进行隧道施工期涌水量估计，按照降水入渗系数法和地下水径流模数法计算得到隧道涌水量

Qs=15 140 m3/d，Qmax=30 280 m3/d。

天马隧道穿越断层破碎带，地质条件复杂，因此综合采用了掌子面素描、加深炮孔、地震反射法(TSP)、地质雷达等超前地质预报手段。以上各种方法各有局限又互有优势，根据木桶效应，需要以地质调查法为核心，综合利用TSP、地质雷达等物探手段，相互配合、补齐短板。通过以上分析，可以得出“洞内外结合、长短预报相结合”的超前地质预报原则。在设计图纸的超前地质预报计划的基础上，结合上述隧道超前地质预报原则，制定地质构造超前预报流程。

根据上述超前地质预报原则和预报方法，制定天马隧道超前地质预报工作流程。首先，收集地质勘察和隧道设计资料，研读辨析找出需要补充调查的区域；然后，利用地表补充调查、地质素描等方法，确定断层和承压地下水在隧道掌子面前方大概位置，预测富水段和涌水量；最后，结合掌子面素描、加深炮孔，合理采用地质雷达、TSP等物探手段，安全可靠、经济合理、省时高效地进行超前地质预报。

3 工程应用情况

3.1 掌子面素描

掌子面素描通过人工现场试验、观察，记录隧道围岩实际情况，依据规范判定围岩级别。天马隧道施工过程中，全长均进行了掌子面素描，记录了实际围岩状况，据此得出各区段实际围岩级别。将实际围岩级别与物探法的预报结果比对，一方面验证物探法是否预报准确，另一方面修正地质勘察结果和地质分析结论。

3.2 加深炮孔

天马隧道施工过程中综合围岩等级和地质构造，将围岩等级IV级、V级以及有断层、节理裂隙、岩层角度不整合接触等区域列为中等复杂地质条件。对于中等复杂地质条件区域，进行了5孔加深炮孔预报。加深炮孔在掌子面布设炮孔时同步进行，施工过程中未发现加深炮孔涌水现象，说明隧道穿越区域地下水贫乏，涌水风险较低。

3.3 雷达法

地质雷达法的优势在于对掌子面前方富水区域有较高分辨能力，可以预报掌子面前方30 m范围内的溶洞、涌水风险。天马隧道穿越区域地下水贫乏，根据地勘资料及设计图纸要求，仅在洞口段(进口DK396+737～DK396+767、出口DK406+045～DK406+075)及下穿蒲永高速天马山隧道段(DK400+750～DK401+020)实施地质雷达预报。每次预报距离30 m，为确保安全，两次预报间重叠5 m，有效预报距离25 m。

3.4 地震波法(TSP)

采用地震波法进行隧道超前地质预报的优势在于预报距离长，减少超前地质预报工作对施工循环的干扰和中断。天马隧道在地质情况中等复杂的区间，广泛采用地震波法进行超前地质预报。每次预报距离110 m，为确保安全，两次预报间重叠15 m，有效预报距离95 m。汇总地震波法和雷达法的预报成果，得到各区段物探预报围岩级别如图1所示。

4 预报成果及讨论

天马隧道共进行了82次物探预报，其中地震波法68次，地质雷达法14次，预报距离4 550 m。设计地勘资料判断V级围岩的软弱破碎区段共9段，开挖揭露实际围岩为V级区段仅5段，其中成功预报4处，预报准确率较高。导致漏报风险点出现的主要原因是预报方法单一。由于地下水贫乏，地质雷达法预报效果不够理想，所以天马隧道主要采用地震波法进行预报。受仪器性能、现场环境、操作人员水平等限制，单一方法预报准确率不高，如果当初能够适当配合超前水平钻法，会取得更好效果。

根据现场围岩情况，对于围岩状况较差区段，缩短了预报距离，其中有效距离35 m的预报16次(探测50 m、叠加15 m)，有效距离65 m的预报32次(探测80 m、叠加15 m)，有效距离95 m的预报32次(探测110 m、叠加15 m)。探测围岩级别偏差的情况有6次，围岩变化里程偏差的情况8次，具体汇总如表1所示。