趙天熙

(青藏鐵路公司西格二線建設(shè)指揮部,西寧 810007)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在西格二線關(guān)角隧道的應(yīng)用

趙天熙

(青藏鐵路公司西格二線建設(shè)指揮部,西寧 810007)

關(guān)角隧道是目前我國(guó)已開工建設(shè)的最長(zhǎng)鐵路隧道,位于青藏高原東北緣,區(qū)內(nèi)斷裂及褶皺均較發(fā)育,地質(zhì)條件復(fù)雜;高地應(yīng)力、巖溶、突涌水是隧道施工中的主要地質(zhì)問題。采取正確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行超前探測(cè),提出行之有效的防治措施是保證關(guān)角隧道施工安全的關(guān)鍵。

關(guān)角隧道 青藏高原 地質(zhì)問題 防治措施

1 隧道概況

新建關(guān)角隧道位于既有鐵路天棚至察汗諾車站之間,全長(zhǎng) 32.645 km(隧道進(jìn)口高程為3 380.75 m,出口高程為3 324.05m),設(shè)計(jì)為兩座平行的單線隧道,設(shè)計(jì)時(shí)速 160 km/h,線間距 40m,均位于直線段上。隧道進(jìn)口段為 8‰的上坡,在嶺脊設(shè)坡度代數(shù)差后,以9.5‰的坡度連續(xù)下坡。天棚至察汗諾車站之間的區(qū)間長(zhǎng)度 39.363 km,關(guān)角隧道的建成將既有線路縮短了 36.837 km。關(guān)角隧道采用鉆爆法施工,總體設(shè)計(jì)思路是采用 10座斜井及局部平導(dǎo)輔助正洞施工。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

2.1 地層巖性

關(guān)角隧道地層巖性極其復(fù)雜,沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖類均有出露,出露的地層主要有第四系、三疊系、二疊系、石炭系、志留系、下元古界,并伴有華力西期侵入巖,地層巖性特征分述如下：

1)第四系全新統(tǒng)(Q4)主要為現(xiàn)代河床沖積、洪積層和坡積層,由砂質(zhì)黃土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、圓礫土、卵石土及碎石土組成。

2)三疊系(T)有兩個(gè)截然不同的沉積類型,以關(guān)角日吉山一帶出露的石炭系為界分為南北兩帶,北帶為三疊系中統(tǒng)及中下統(tǒng),是淺海相陸臺(tái)蓋層碳酸鹽、碎屑巖沉積,和下伏二疊系地層呈平行不整合接觸,巖性主要以灰?guī)r、砂巖為主;南帶為三疊系下統(tǒng),屬于南祁連褶皺帶冒地槽型沉積的范圍,呈規(guī)模不大的地質(zhì)體零星分布,以礫巖、砂巖,呈角度不整合蓋在石炭系地層之上。

3)二疊系(P)以碳酸鹽為主的陸臺(tái)型淺海相沉積,巖性以灰?guī)r為主,局部夾少量砂巖,和下伏石炭系地層呈角度不整合接觸,接觸帶附近,巖體破碎。

4)石炭系(C)由變質(zhì)、變形強(qiáng)烈的巖性組成,呈北西向帶狀展布于測(cè)區(qū)中部。這是一套變質(zhì)的淺海相碎屑巖建造,以變質(zhì)砂巖、片巖為主,夾少量大理巖、板巖,和下元古界地層呈斷層接觸。

5)志留系(S)為變質(zhì)的海相類復(fù)理碎屑沉積,以變質(zhì)砂巖為主,局部夾板巖、片巖和少量千枚巖。大部巖石中均或多或少含有一些凝灰質(zhì)成份,巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重,受強(qiáng)烈的韌性變形和動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用,原巖結(jié)構(gòu)遭到破壞,因而具有糜棱結(jié)構(gòu)和流動(dòng)構(gòu)造,主要分布于隧道進(jìn)口段。

6)下元古界(Pt)由混合巖化作用形成的混合巖,主要為混合片麻巖、眼球狀混合巖組成,局部為少量角閃巖和大理巖,主要分布于隧道出口段。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

1)褶皺構(gòu)造。關(guān)角隧道褶皺發(fā)育,總體上呈北北西向展布,主要發(fā)育華力西期和印支期褶皺帶。褶皺構(gòu)造在區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為三種類型,一種以下古生界、石炭系中的褶皺為代表,以近于線狀的緊密褶皺為主,屬基底褶皺性質(zhì);一種以二疊、三疊系中的褶皺為代表,以開闊的正常褶皺為主,屬蓋層褶皺性質(zhì);第三種是上第三系中的褶皺,以波狀起伏的緩傾斜正常褶曲為主,是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的。

2)斷裂構(gòu)造。關(guān)角隧道通過區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育,通過大小不等斷層共 17條。根據(jù)斷層規(guī)模及其構(gòu)造意義可以分為兩級(jí),一級(jí)為區(qū)域性深大斷裂(F),二級(jí)為區(qū)域斷裂或次級(jí)斷裂(f)。

3)水文地質(zhì)。關(guān)角隧道地下水豐富,預(yù)測(cè)Ⅰ線隧道正常涌水36 759.9 m3,最大涌水81 088.1m3;Ⅱ線隧道正常涌水60 860.8m3,最大涌水134 251.8m3。

2.3 隧道施工中的主要地質(zhì)問題

通過對(duì)隧道區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件的綜合分析,預(yù)測(cè)隧道施工中可能存在的主要地質(zhì)問題是突水涌水、軟弱圍巖大變形和圍巖失穩(wěn)等。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)及應(yīng)用

關(guān)角隧道區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件不僅在技術(shù)上將給隧道建設(shè)工作帶來極大的困難,也將常常因突發(fā)事故而導(dǎo)致人身傷亡、工期延誤,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隧道地下工程圍巖地層的復(fù)雜性和不可預(yù)見性,使得現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員更多地依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和采用事后處理的方法來對(duì)付突發(fā)事故,這增加了施工的被動(dòng)性,影響施工進(jìn)度,增加工程投資。為盡量減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,先進(jìn)的地質(zhì)探測(cè)設(shè)備的應(yīng)用,無疑對(duì)隧道的施工有重要的指導(dǎo)作用。

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)正在發(fā)展之中,目前應(yīng)用的負(fù)視速度法,水平剖面法,TSP(隧道地震反射波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng))、TGP(隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng))、TRT(隧道層析掃描超前預(yù)報(bào)系統(tǒng))與 TST(地震偏移成像超前預(yù)報(bào))等技術(shù),都逐漸進(jìn)入地下工程領(lǐng)域。通過現(xiàn)場(chǎng)的不斷實(shí)踐,利用多手段、多設(shè)備,地質(zhì)分析與工程物探相結(jié)合,地震方法與地磁方法相結(jié)合的綜合超前預(yù)報(bào)方案,能解決掌子面前方圍巖速度結(jié)構(gòu)可靠分析的問題,解決不良地質(zhì)構(gòu)造、含水構(gòu)造、含瓦斯氣構(gòu)造的超前預(yù)報(bào)問題,實(shí)現(xiàn)了隧道圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)的精確成像,適合復(fù)雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)應(yīng)用。

在關(guān)角隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中,主要采取的是綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào),具體包括四個(gè)方面的內(nèi)容,即隧道主要不良地質(zhì)和施工地質(zhì)災(zāi)害宏觀預(yù)報(bào),隧道洞身主要不良地質(zhì)體的長(zhǎng)期、短期超前預(yù)報(bào),超前鉆探和施工地質(zhì)災(zāi)害臨近警報(bào)期四種預(yù)報(bào)方案和工作步驟。其具體流程見圖 1。

圖1 關(guān)角隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作流程

3.1 不同分級(jí)地段的工作方法

A級(jí)：采用 TSP地質(zhì)分析法進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào),并結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)、超前水平鉆探、掌子面地質(zhì)素描等手段進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)。其中 TSP的探測(cè)距離不大于 100m;超前水平鉆不少于 3孔,距離 ＞30 m;超長(zhǎng)炮孔不少于 6個(gè),長(zhǎng)度不少于 6 m;地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)距離不大于 15m;地質(zhì)素描每次爆破掘進(jìn)均要進(jìn)行。

B級(jí)：采用 TSP地質(zhì)分析法進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào),并結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)、必要的超前水平鉆探等手段進(jìn)行綜合預(yù)報(bào),當(dāng)發(fā)現(xiàn)局部地段工程地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí),按A級(jí)要求實(shí)施。

C級(jí)：以地質(zhì)素描為主,對(duì)重要的地質(zhì)(層)界面、斷層或物探異常地段,可采用 TSP地質(zhì)分析法進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。

D級(jí)：采用地質(zhì)素描進(jìn)行預(yù)報(bào)。

3.2 各種超前預(yù)報(bào)工作的特點(diǎn)

1)TSP超前預(yù)報(bào)。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是專門為隧道和地下工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研制開發(fā)的目前世界上在此領(lǐng)域較先進(jìn)的設(shè)備。其原理是采用回聲測(cè)量原理：地震波在指定的震源點(diǎn)用小藥量激發(fā)產(chǎn)生;地震波在巖石中以球面波形式傳播;當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面時(shí),一部分地震信號(hào)反射回來,另一部分信號(hào)折射進(jìn)入前方介質(zhì);反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收。TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布置及測(cè)試過程由一系列炮點(diǎn)、兩個(gè)三維接收傳感器(X、Y、Z方向)、接收機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：為方便快捷地預(yù)報(bào)掌子面前方 100～150m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況提供了一種有效的方法和工具,為隧道變更施工工藝提供了依據(jù),大大減少隧道施工坍方帶來的危險(xiǎn)性,減少了人員和機(jī)械的損傷,經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2)地質(zhì)雷達(dá)。作為 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的補(bǔ)充,在高水壓地段,對(duì) TSP預(yù)報(bào)的異常點(diǎn),如確定異常體的規(guī)模、性質(zhì)、危害性有困難時(shí),采用地質(zhì)雷達(dá)作為補(bǔ)充手段。地質(zhì)雷達(dá)依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進(jìn)行工作,發(fā)射天線將高頻(106～109 Hz或更高)的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下,被地下介質(zhì)(或埋藏物)反射,然后由接收天線接收。根據(jù)電磁波理論,當(dāng)雷達(dá)脈沖在地下傳播過程中,遇到不同電性介質(zhì)交界面時(shí),由于上下介質(zhì)的電磁特性不同而產(chǎn)生折射和反射,以此對(duì)隧道前方地質(zhì)情況(巖性、完整性、巖溶空洞、裂隙水情況等)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)工作。

地質(zhì)雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是：操作方便,對(duì)施工基本無干擾,20 min即可對(duì)掌子面前方做出探測(cè)?？蓪?duì)隧道底部、兩側(cè)邊墻存在的巖溶、空洞情況進(jìn)行探測(cè)。精度高,對(duì)巖溶、水較敏感。

3)地質(zhì)素描。利用常規(guī)地質(zhì)理論和作圖法,將隧道所揭露的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水出露點(diǎn)位置及出水狀態(tài)、出水量、煤層、溶洞等準(zhǔn)確記錄下來并繪制成圖表,結(jié)合已有勘測(cè)資料,進(jìn)行隧道開挖面前方地質(zhì)條件的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、不占用隧道施工時(shí)間,提交資料及時(shí),費(fèi)用低,但對(duì)操作人員地質(zhì)知識(shí)水平要求較高,需要地質(zhì)專業(yè)人員來完成。

4)紅外探水。利用所有物體都能發(fā)射出不可見的紅外線能量的原理。能量的大小與物體的發(fā)射率成正比,而發(fā)射率的大小取決于物體的物質(zhì)和它的表面狀況。當(dāng)隧道掌子面前方及周邊介質(zhì)單一時(shí),所測(cè)得的紅外場(chǎng)為正常場(chǎng),當(dāng)前面存在隱伏含水構(gòu)造或有水時(shí),所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)要疊加到正常場(chǎng)上,從而使正常場(chǎng)產(chǎn)生畸變。據(jù)此,判斷掌子面前方一定范圍內(nèi)有無含水構(gòu)造?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有兩種方法：一是在掌子面上,分上、中、下及左、中、右六條測(cè)線的交點(diǎn)測(cè)取 9個(gè)數(shù)據(jù),根據(jù)這 9個(gè)數(shù)據(jù)之間的最大差值來判斷是否有水;二是由掌子面向掘進(jìn)后方(或洞口)按左邊墻、拱部、右邊墻的順序進(jìn)行測(cè)試,每 5m或 3m測(cè)取一組數(shù)據(jù),共測(cè)取50 m或 30m,并繪制相應(yīng)的紅外輻射曲線,根據(jù)曲線的趨勢(shì)判斷前方有無含水。

5)超前水平鉆。根據(jù)不同的地質(zhì)條件,針對(duì)不同的探測(cè)對(duì)象以及不同的超前預(yù)報(bào)等級(jí),主要分為長(zhǎng)距離(50～100 m)超前水平鉆探和短距離超前鉆探兩種：①長(zhǎng)距離(50～100 m)超前水平鉆探,水平探孔直徑不小于 110 mm,鉆深達(dá)到 50～100 m;②短距離(20～30m)超前水平鉆探,水平探孔直徑不小于 110mm,鉆深達(dá)到 20～30m。

根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告和設(shè)計(jì)圖紙,結(jié)合本標(biāo)段實(shí)際情況,在掘進(jìn)工作面上布設(shè)超前探孔,在鉆探中根據(jù)鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中推力、扭矩、鉆速大小、巖粉成份、成孔難易及鉆孔出水情況來判斷前方的地層和巖性,同時(shí)進(jìn)行涌水量和水壓測(cè)試,判斷掘進(jìn)工作面前方地層含水情況。必要時(shí),每個(gè)掘進(jìn)工作面增設(shè)超前探水孔 2～3個(gè),分別位于拱頂和拱腰部位,超前探水孔終孔位于隧道開挖輪廓線外 1.5～1.3m。

4 應(yīng)用實(shí)例

2008年 8月 2日 4#斜井施工至掌子面里程斜 9+88位置時(shí),在掌子面有兩處出水點(diǎn)：一處位于右側(cè)底板,呈泉眼狀涌水;另一處位于隧道中線距底板 40 cm處,經(jīng)鉆孔向外噴水,噴射距離約 3 m。水質(zhì)清澈,突涌水以極快的速度向洞口方向推進(jìn),具有承壓性。8月 3日,在掌子面有大股地下水涌出,最大涌水量約8 000～8 500m3/h。

為了保證隧道的施工安全,在進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)踏勘和實(shí)地調(diào)查后,確定該掌子面的超前預(yù)報(bào)方案是：以工程地質(zhì)分析其涌水的成因,TSP超前預(yù)報(bào)探測(cè)為主,輔以紅外探水和超前水平鉆驗(yàn)證。

本次涌水主要來源于先期賦存在掌子面前方的受到構(gòu)造裂隙嚴(yán)格控制的的地下水,由于斜井上部是一個(gè)有利于匯水的山谷,加上隧道區(qū)域上近期降水量較大,使得在 4#斜井掌子面前方構(gòu)造裂隙中賦存的地下水量有所增加。另外,地表水和地下水對(duì)于其補(bǔ)給通道比較十分通暢,加上該儲(chǔ)水構(gòu)造形成時(shí)間較長(zhǎng),賦存了較大的水量,且具有一定的承壓性。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)圖(圖 2)顯示,在掌子面前方約 50～106 m之間有一寬約 56m隱伏的斷裂構(gòu)造帶,其存在控制著掌子面地下水的分布情況,現(xiàn)在掌子面的涌水就是這個(gè)斷裂構(gòu)造上盤下部構(gòu)造裂隙中所賦存的地下水。隨后進(jìn)行了超前水平鉆的探測(cè),在斜 9+39～斜 8+80的位置,有較豐富的地下水。根據(jù)超前預(yù)報(bào)的情況,施工單位適時(shí)地采取了注漿、排水、加強(qiáng)支護(hù)等措施,保證了隧道施工地的順利進(jìn)行。

圖2 關(guān)角隧道 4#斜井斜 9+88超前地質(zhì)預(yù)報(bào)圖

5 結(jié)論

通過對(duì)青藏鐵路關(guān)角隧道采用綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方案的實(shí)施和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的處理,利用系統(tǒng)集成的方法,綜合各類地質(zhì)信息,采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行建模分析及數(shù)值模研究。通過對(duì)掌子面前方的地質(zhì)進(jìn)行全方位的系統(tǒng)研究,提出了預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果,再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)報(bào)結(jié)果,實(shí)施動(dòng)態(tài)的施工方法,及時(shí)調(diào)整圍巖分級(jí)、設(shè)計(jì)參數(shù)及施工方案。同時(shí)對(duì)掌子面前方可能誘發(fā)的重大地質(zhì)災(zāi)害建立臨警預(yù)報(bào)系統(tǒng),評(píng)判其危害程度,并提出施工預(yù)案對(duì)策,為今后特長(zhǎng)隧道的勘察、設(shè)計(jì)及施工提供理論依據(jù)。

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U452.1+1

B

1003-1995(2010)02-0030-04

2009-10-15;

2009-11-17

趙天熙(1958— ),男,甘肅高臺(tái)人,高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 白敏華)