曾曉勤，李輝忠，張 嘯，邱繼云

(四川路橋建設(shè)集團(tuán)股份有限公司公路隧道分公司，四川成都 610200)

在我國(guó)高速公路和高速鐵路大建設(shè)中，長(zhǎng)大隧道、地質(zhì)復(fù)雜隧道的修建也越來(lái)越多，但由于地質(zhì)復(fù)雜多變而引起的地質(zhì)災(zāi)害事故在隧道建設(shè)中屢見(jiàn)不鮮。比如，在我國(guó)宜萬(wàn)鐵路的施工建設(shè)中，線路穿越長(zhǎng)江水系的巖溶極其發(fā)育的灰?guī)r地帶，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)齊岳山、野山關(guān)和馬鹿箐等隧道的大突水事故;2010年1月16號(hào)在建南廣鐵路白云隧道發(fā)生突發(fā)性突水突泥地質(zhì)災(zāi)害。因此，隧道施工對(duì)可靠、準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提出了強(qiáng)烈的要求。本文以在建的成都～自貢～瀘州高速公路馬鞍山隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)為例進(jìn)行介紹，給施工單位在類(lèi)似的隧道施工情況中如何準(zhǔn)確、及時(shí)預(yù)報(bào)地質(zhì)災(zāi)害和有效規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生提供參考。

1 工程概況

在建成都～自貢～瀘州高速公路馬鞍山隧道位于威遠(yuǎn)縣境內(nèi)，左洞長(zhǎng)1827 m，右洞長(zhǎng)1862 m，左線隧道最大埋深約173 m，右線隧道最大埋深約170 m。其中出口左右線為小凈距隧道。隧道共設(shè)車(chē)行橫通道2個(gè)，人行橫通道4個(gè)。

馬鞍山隧道穿越的主要地層即為有砂巖、泥巖等構(gòu)成的近水平軟弱巖層，這類(lèi)地層具有以下顯著特點(diǎn):(1)巖層傾角較緩，一般小于5°，成近水平狀;(2)巖層為砂泥巖互層，層間性質(zhì)差異大、結(jié)合性差;(3)巖層強(qiáng)度低，屬軟巖～極軟巖范疇，其中泥巖遇水后易軟化，易于風(fēng)化剝落。

沉積巖層層面為水平狀態(tài)的巖層稱(chēng)水平巖層(一般認(rèn)為水平巖層傾角小于5°)。水平巖層的同一層面海拔高度基本一致。從地質(zhì)學(xué)上看，一般情況下，地質(zhì)時(shí)代較新的巖層位于較老的巖層之上。水平巖層的厚度就是該巖層上下層面的高差，而其上下層面出露界線之間的水平距離的變化則受巖層的厚度和地形坡度的影響。

隧道在接近水平軟弱巖層中開(kāi)挖，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的首要目的便是找出軟弱地層的位置，以便在施工中提前采取措施，從而保證施工安全和快速。目前采用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法種類(lèi)繁多，且各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。在馬鞍山隧道中，采用了TSP 和超前水平鉆孔相結(jié)合的方法對(duì)軟弱水平巖層條件下的隧道施工開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并取得了很好的實(shí)際效果。

2 TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)基本原理

TSP(TunnelSeismicPrediction)法是利用地震波反射回波方法測(cè)量的原理。地震波震源采用小藥量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，炸藥激發(fā)在隧道邊墻的風(fēng)鉆孔中，通常24個(gè)炮孔布置成一條直線。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一個(gè)。地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綇椥圆ㄗ杩共町惤缑鏁r(shí)，例如斷層、巖體破碎帶、巖性變化或巖溶發(fā)育帶等，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)繼續(xù)傳播。反射的地震信號(hào)被高靈敏度的地震檢波器接收，其傳播時(shí)間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比，因此通過(guò)測(cè)量直達(dá)波速度、反射回波的時(shí)間、波形和強(qiáng)度，可以達(dá)到預(yù)報(bào)隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的。

采用TSP 技術(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)中，使用的儀器為T(mén)GP206 型隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。預(yù)報(bào)檢測(cè)時(shí)本工程出口掌子面位于YK114+754 里程處，在YK114+683 里程處右側(cè)洞壁風(fēng)鉆孔中布置預(yù)報(bào)接收檢波器，接收孔距掌子面71 m，激發(fā)炮孔在右壁的里程為YK114+703～YK114+746。在隧道右壁(面向大里程樁號(hào)方向)的同一水平線上從里向外布置24個(gè)炮孔，炮孔間距2.0 m，炮孔高度1.1 m;與接收孔的最近距離為20 m(圖1)。

圖1 TSP 炮孔布置平面示意圖

3 TSP 超前預(yù)報(bào)結(jié)果

圖2 縱波發(fā)射界面提取

圖3 橫波發(fā)射界面提取

圖4 巖波速比分布

從圖2～圖4可以看出，馬鞍山隧道已開(kāi)挖段:圍巖以泥巖、砂質(zhì)泥巖及砂巖夾煤層為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，層狀巖層為薄層、中層或厚層，層間結(jié)合一般。測(cè)試結(jié)果表明，已開(kāi)挖段縱波波速為4810 m/s，橫波(Vs)速度為2190 m/s;動(dòng)泊松比為0.241，屬硬質(zhì)巖范疇。在K114+765－K114+797 區(qū)段出現(xiàn)強(qiáng)烈的正反射，圍巖變硬，整體性變好，可按序施工。在K114+797－K114+825 區(qū)段，縱波出現(xiàn)強(qiáng)烈的負(fù)反射，說(shuō)明該段巖體較破碎，完整性較差，風(fēng)化較重，施工中應(yīng)密切注意拱頂?shù)魤K及基巖裂隙水的影響。隨著隧道掌子面的不斷推進(jìn)，深部圍巖內(nèi)富存瓦斯由于受到隧道施工過(guò)程的擾動(dòng)影響，可能向隧道掌子面溢出并聚積。因此，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定在指定區(qū)域進(jìn)行瓦斯手動(dòng)檢測(cè)，加強(qiáng)隧道通風(fēng)，重點(diǎn)防止局部瓦斯聚集。

4 超前水平鉆孔預(yù)測(cè)

4.1 鉆孔方案

本次超前水平鉆孔以探測(cè)前方地層條件為目的，同時(shí)與TSP 方法的預(yù)報(bào)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，從而對(duì)掌子面前方圍巖的總體情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。本次鉆孔設(shè)一個(gè)超前鉆孔，該孔布置在掌子面上。圖5為該鉆孔的位置布置。

圖5 超前鉆孔位置布置

4.2 鉆孔結(jié)果

本次超前鉆孔工作人員在鉆孔機(jī)器設(shè)備和工具進(jìn)行質(zhì)量安全檢查后，開(kāi)鉆前對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)試，對(duì)掌子面當(dāng)前情況進(jìn)行詳細(xì)觀察后，將放置機(jī)械的位置進(jìn)行整平并設(shè)立穩(wěn)定的臺(tái)架，以便能順利的鉆出能準(zhǔn)確體現(xiàn)巖層狀況的巖芯。本次鉆孔采用了108、89、75 三種規(guī)格的取芯鉆頭，完孔深度為35.8 m。

本次地質(zhì)超前鉆孔結(jié)果表明:掌子面前方35 m 范圍內(nèi)無(wú)構(gòu)成瓦斯事故危險(xiǎn)的煤層;超前地質(zhì)鉆孔實(shí)施過(guò)程中無(wú)卡鉆、頂鉆和噴孔等現(xiàn)象，打鉆前后掌子面無(wú)瓦斯，鉆孔內(nèi)也無(wú)瓦斯涌出，表明該探測(cè)范圍內(nèi)瓦斯賦存少，瓦斯大面積涌出的可能性小;鉆孔內(nèi)無(wú)涌水。通過(guò)超前鉆孔鉆探，隧道出口掌子面前方17 m 范圍圍巖破碎、取芯率為30 %～40 %，RQD 值為13 %～50 %，但隨后圍巖完整性會(huì)變好，這與TSP預(yù)報(bào)結(jié)果一致。

5 結(jié)論及建議

(1)在軟弱水平巖層中，通常會(huì)出現(xiàn)以砂巖為主的硬巖和以泥巖為主的軟巖互層的情況。在這種情況采用TSP 方法對(duì)掌子面前方進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可以獲得150 m 范圍以內(nèi)隧道軸線方向圍巖軟硬情況的大致分布。

(2)在縱波波速較低以及強(qiáng)烈的負(fù)反射區(qū)段，輔以超前水平鉆孔方法，對(duì)前方的圍巖具體情況進(jìn)行取芯驗(yàn)證，從而做到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的“洞內(nèi)外結(jié)合，以洞內(nèi)為主;長(zhǎng)短結(jié)合，以短為主;地質(zhì)與物探結(jié)合”的原則，取得較好的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果。

(3)采用TSP 方法結(jié)合超前水平鉆孔的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在軟弱水平巖層中預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)，對(duì)隧道的施工影響較小，預(yù)報(bào)及時(shí)、準(zhǔn)確且精度高，使得隧道施工安全順利的進(jìn)行，避免不良地質(zhì)災(zāi)害造成生命安全和財(cái)產(chǎn)的損失，節(jié)約了工程的經(jīng)濟(jì)成本。

(4)在做TSP 測(cè)量和水平超前地質(zhì)鉆孔時(shí)，預(yù)報(bào)人員注意現(xiàn)場(chǎng)周?chē)鷩鷰r地質(zhì)的變化以及地下水的變化情況，將足夠的合理的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與提供的工程地質(zhì)素描圖及其地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)對(duì)比，運(yùn)用地質(zhì)和巖體力學(xué)等知識(shí)和前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)就會(huì)得出較高精度的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果。

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