孫光吉 滿 君 劉平崗 閆常赫 蘇傳進 尤學(xué)文

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055;2.北京工建標圖書發(fā)行公司，北京 100055)

超前地質(zhì)預(yù)報出現(xiàn)在20世紀的中后期，是工程地質(zhì)學(xué)的一個分支。我國在這方面的研究始于20世紀70年代，近幾十年來也有了很快的發(fā)展[1-6］。超前地質(zhì)預(yù)報是地面綜合勘探在施工階段、施工場地條件下的延續(xù)，旨在對足以引起地質(zhì)災(zāi)害不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模及危害程度做出分析判斷并預(yù)警，為規(guī)避施工風(fēng)險，做好技術(shù)準備工作爭取充裕的時間。其中常見的地質(zhì)災(zāi)害有隧道內(nèi)較大型的突水、突泥現(xiàn)象，不良地質(zhì)體則有斷層、巖性接觸帶及具有一定規(guī)模的巖溶等。

水平層理砂泥巖是鐵路隧道中常見的圍巖，其顯著特征是圍巖產(chǎn)狀近水平，層理為其主要結(jié)構(gòu)面。泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖干燥時，圍巖自身強度較好，遇水浸泡后易軟化，一捏即碎，泥質(zhì)膠結(jié)遇水則失去黏結(jié)力[7-9］。這些特征決定了水平層狀砂泥巖隧道拱頂、拱肩等部位受節(jié)理及層理面切割成的塊體在重力作用下極易產(chǎn)生塊體失穩(wěn)。因此，除了及時支護，還需加強超前地質(zhì)預(yù)報，以探測砂泥巖厚度變化及所夾土層的位置變化。

結(jié)合某水平層狀砂泥巖隧道，詳細介紹相關(guān)超前地質(zhì)預(yù)報的方法及應(yīng)用流程等內(nèi)容，并將探查數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與現(xiàn)場開挖后的實際情況進行對比，最后對超前地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用進行分析與總結(jié)。

1 工程概況

該隧道區(qū)地層巖性主要為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土和中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，基巖主要為二疊系上統(tǒng)石千峰組泥巖夾砂巖，下石盒子組砂巖夾泥巖和劉家溝組中細粒砂巖、粉砂巖，局部夾薄層同生礫巖及磚紅色泥巖。隧道走行在砂、泥巖地層，產(chǎn)狀平緩，存在平層問題。砂巖為相對透水層，泥巖為相對隔水層，地下水局部具承壓性，地層分界及斷層附近易產(chǎn)生突泥、突水;泥巖具弱膨脹性，耐風(fēng)化性差，遇水易軟化。

地下水主要為基巖裂隙水。二疊系上統(tǒng)石千峰組的泥巖含量較多，阻水性較好，三疊系下統(tǒng)劉家溝組主要為砂巖，兩組垂直節(jié)理較發(fā)育且能形成貫通的水力通道。因此，在石千峰組和劉家溝組的接觸帶時常有泉出露，多為下降泉，且流量較大，勘察期間埋深大于50 m，地下水主要依靠大氣降水補給。

2 超前地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用

關(guān)于超前地質(zhì)預(yù)報各種方法原理的介紹已有很多，此處不再贅述。本文僅就該隧道采用的幾種方法進行介紹和數(shù)據(jù)分析。該隧道主要采用的是長距離探測與短距離探測相結(jié)合，物探與鉆探相結(jié)合以及地面觀察與洞內(nèi)探測結(jié)合的綜合探查方法，即先通過TSP203預(yù)測前方100～150 m范圍的地質(zhì)變化，再應(yīng)用超前水平鉆、超長炮孔對TSP203探測到的不良地質(zhì)體進行確認，在此過程中不間斷地進行地質(zhì)素描。素描頻率應(yīng)根據(jù)該段落的地質(zhì)條件作相應(yīng)調(diào)整，高危段落每開挖循環(huán)需進行一次，一般地段每10～20 m進行一次，以便動態(tài)掌控圍巖地質(zhì)條件。超前地質(zhì)鉆孔，加長炮孔的位置、孔深、數(shù)量以及是否取芯等參數(shù)情況，應(yīng)由地質(zhì)人員根據(jù)TSP203預(yù)報成果，并結(jié)合工作面附近的地質(zhì)情況綜合分析再確定。

2.1 TSP 203預(yù)報探測

(1)預(yù)報數(shù)據(jù)采集

測點位置:預(yù)報時工作面位于DK300+228里程處，在DK300+143里程處布置預(yù)報接收孔，接收孔距工作面85 m。

測線測點布置(見圖1):在隧道右側(cè)邊墻的同一水平線上，由外向里布置一個傳感器鉆孔和21個炮孔。傳感器鉆孔距第一個炮孔19 m，炮孔間距1.5 m，炮孔高度1.5 m，最后一個炮孔距工作面36 m。

圖1 側(cè)線測點布置(單位:m)

地震波激發(fā):采用爆炸震源激發(fā)地震波，每炮約50 g乳化炸藥。

(2)資料分析

資料處理流程如圖2所示。

圖2 資料處理流程

預(yù)報原則:在地質(zhì)解釋中，以P波(縱波)剖面資料為主對巖層進行劃分，結(jié)合S波(橫波)資料對地質(zhì)現(xiàn)象進行解釋，并遵循以下原則[10，11］。

①正反射振幅表明硬巖層，負反射振幅表明軟巖層。

②若S波反射較P波強，則表明巖層飽含水。

③Vp/Vs(縱橫波速比)增加或δ(泊松比)突然增大，常常由于地下水的存在而引起。

④若Vp(縱波波速)下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

(3)TSP 203預(yù)報結(jié)論及建議措施

TSP203探測總體結(jié)果顯示為節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，局部地下水較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差。各段具體情況、結(jié)論和建議措施如下。

DK300+228～DK300+233(5 m):強—弱風(fēng)化泥巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，泥巖易失穩(wěn)，建議嚴格按照設(shè)計施工。

DK300+233～DK300+273(40 m):強—弱風(fēng)化泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水較發(fā)育，滲水，圍巖穩(wěn)定性較差，易坍塌，建議該段再進行加深炮孔法地質(zhì)預(yù)報探查，應(yīng)注意防排水并及時支護。

DK300+273～DK300+320(47 m):強—弱風(fēng)化泥巖夾砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，泥巖易失穩(wěn)，建議及時支護。

如圖3所示，DK300+233～DK300+273(40 m)與前后兩段有明顯差異:

圖3 TSP隧道超前預(yù)報二維成果

①Vs(橫波波速)有微小變化，可忽略不計。

②Vp下降，說明裂隙密度增加，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

③Vp/Vs或δ下降后，又陡然上升，說明可能有流體的存在。

鑒于以上推斷，該段地下水較發(fā)育，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖軟硬相間，容易失穩(wěn)，初步確定為不良地質(zhì)體，需要進行超前水平鉆探復(fù)核，同時提高地質(zhì)素描頻率。

2.2 超前水平鉆復(fù)核

(1)鉆探方法

采用沖擊鉆，雖不取芯，但可通過沖積器的響聲、鉆速，以及巖粉、卡鉆情況、鉆桿震動情況、沖洗液的顏色及流量變化等因素，粗略探明巖性、巖石強度、巖體完整程度及地下水發(fā)育情況。

(2)技術(shù)要求

孔深:鉆孔深度應(yīng)在鉆探過程中進行動態(tài)控制和管理，根據(jù)鉆孔情況可適時調(diào)整鉆孔深度，以達到預(yù)報的目的為原則;在需連續(xù)鉆探時，一般每循環(huán)可鉆30～60 m;連續(xù)預(yù)報時前后兩循環(huán)鉆孔應(yīng)重疊5～8 m。

孔徑:鉆孔直徑應(yīng)滿足鉆探取芯、取樣和孔內(nèi)測試的要求，并應(yīng)符合《鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程》(TB10014－98)的相關(guān)規(guī)定。

孔位:可以根據(jù)地質(zhì)預(yù)報的異常區(qū)域并結(jié)合施工條件進行布置。

(3)超前水平鉆探結(jié)果與分析

DK300+233～DK300+273(40 m)超前水平鉆分兩次進行。DK300+233～DK300+262分別于工作面取兩孔施做，1－1孔位于工作面拱頂，鉆孔部位為泥巖，鉆孔過程中有出水現(xiàn)象，滲水量為3～5 m3/h(見圖4)。1－2孔位于工作面中部，鉆孔部位為泥巖，鉆孔過程未見有水(見圖5)。DK300+257～DK300+286施做位置不變，1－1孔鉆孔過程中有出水現(xiàn)象，滲水量為3～5 m3/h，鉆孔部位巖體為砂巖夾泥巖。1－2孔鉆孔過程未見有水，巖體為砂巖夾泥巖。由此推斷，隨著開挖，滲水位置將上移至拱頂，可能影響隧道開挖支護。但隨著開挖繼續(xù)，巖性可能發(fā)生變化，有變?yōu)樯皫r的可能。超前水平鉆的結(jié)果與TSP203的預(yù)測基本一致，基本能夠確定該不良地質(zhì)體的段落。

2.3 開挖驗證結(jié)果

(1)DK300+228工作面開挖揭示為磚紅色泥巖，強風(fēng)化，泥質(zhì)較軟，厚—巨厚層構(gòu)造，厚度大于0.5 m，產(chǎn)狀近水平狀，節(jié)理裂隙不發(fā)育，局部破碎。工作面表面干燥，底部有水滲出，圍巖自穩(wěn)性較差，常有掉塊。DK300+228～DK300+232段圍巖基本與TSP203探測工作面一致(見圖6)。

圖6 DK300+228工作面圍巖

圖7 DK300+233工作面圍巖

(2)工作面開挖至DK300+235附近時，自DK300+230開始不斷出現(xiàn)邊墻開裂，粗略估計有十多條開裂，最寬處達十余厘米?，F(xiàn)場采取不斷噴護的措施，并增加臨時套拱，以保證安全。

(3)自DK300+232開始，工作面的泥巖局部出現(xiàn)松散，工作面潮濕，不斷有泥巖小塊垮落(見圖7)。施工單位在初支后，及時噴護封閉工作面，并保留一部分“核心土”，有效控制了工作面的縱向位移[12］。

(4)自DK300+253附近開始，拱頂中部及右側(cè)出現(xiàn)滲水，水量約2 m3/h。

(5)DK300+274～DK300+292工作面變干燥，上半斷面中部泥巖上下部皆為砂巖，且泥巖不斷向下發(fā)展，上半斷面砂巖逐漸變厚(見圖8、圖9)。

圖8 DK300+274工作面圍巖

圖9 DK300+292工作面圍巖

(6)DK300+292～DK300+320上部為砂巖，拱腰以下為泥巖。砂巖層間結(jié)合差，拱頂常有掉塊。工作面中部右側(cè)砂泥巖結(jié)合處滲水，水量不大。

2.4 預(yù)報結(jié)論分析

該預(yù)報段范圍內(nèi)，隧道圍巖主要是水平層狀砂泥巖，這就決定了影響其穩(wěn)定的因素主要是水及拱頂至拱肩的巖性及層厚。結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，得出以下結(jié)論。

①DK300+228～DK300+233(5 m):現(xiàn)場開挖圍巖情況與超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果一致，工作面主要為泥巖，在沒有水的情況下，圍巖相對穩(wěn)定，施工安全基本能夠保證。

②DK300+233～DK300+273(40 m):超前地質(zhì)預(yù)報顯示該段為高度風(fēng)險段落，開挖后驗證了預(yù)報結(jié)果的準確性，且工作面自DK300+232附近出現(xiàn)潮濕。這是因為隨著工作面開挖，圍巖應(yīng)力重分布，工作面圍巖的應(yīng)力最低，前方圍巖內(nèi)的地下水在高應(yīng)力的作用下移動至工作面，這需要一些時間。對于工作面圍巖局部松散掉塊，甚至局部垮塌，超前地質(zhì)預(yù)報已經(jīng)預(yù)見到，現(xiàn)場提前加強了支護，沒有出現(xiàn)問題。隨著開挖進行，結(jié)合高頻率的地質(zhì)素描，這些問題可以預(yù)見并能夠及時加以處理。

③DK300+273～DK300+320(47 m):現(xiàn)場開挖結(jié)果與超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果基本一致，工作面為砂巖夾泥巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部滲水。但拱頂橫向砂巖層間結(jié)合差是沒有預(yù)測到的，這需要現(xiàn)場不斷提高地質(zhì)素描質(zhì)量來實現(xiàn)。在開挖的同時，可在隧道拱部采用鉆機打設(shè)3～5個徑向鉆孔，以探知巖層層理分布及厚度，據(jù)此預(yù)測前方拱部圍巖分布情況，發(fā)現(xiàn)巖石覆蓋層厚度減小等異常，應(yīng)及時調(diào)整施工方案及支護措施，確保施工安全，這是對超前地質(zhì)預(yù)報的有效補充。

3 結(jié)論

(1)在熟悉設(shè)計地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，不同的圍巖性質(zhì)應(yīng)選用不同的超前地質(zhì)預(yù)報方法，如該水平砂泥巖層，雖然水量不大，但水的浸泡仍是砂泥巖軟化失穩(wěn)的最主要因素，所以水的預(yù)報乃重中之重。

(2)鑒于水平砂泥巖層的特殊性，在預(yù)報確定圍巖巖性后，應(yīng)加強其拱頂、拱肩支護，防止掉塊乃至大的變形。

(3)TSP203等在含水構(gòu)造的預(yù)報上僅從定性上有較高的準確率，但對含水構(gòu)造的定量預(yù)報仍不夠精確，且出水里程段落與現(xiàn)場可能有出入，這與隧道開挖改變了地下水的徑流模式有很大關(guān)系;原先的地下水排泄渠道發(fā)生改變，地下水在水頭差下由前方或者頂部轉(zhuǎn)移至隧道工作面。

(4)超前地質(zhì)預(yù)報長、中距離探測對工作面前方圍巖巖性，完整性的判別精確度很高，但現(xiàn)場施工中必須跟進地質(zhì)素描，以便隨時掌控地質(zhì)情況及圍巖變化，并充分考慮地下水可能造成的影響。

(5)TSP203、超前水平鉆對工作面前方橫向結(jié)構(gòu)面(尤其水平砂泥巖的層理面)的探測不夠精確，必要時，可于拱部施做徑向鉆孔，以探測拱頂巖層層理及厚度，以便及時調(diào)整支護措施，確保施工安全。

(6)超前地質(zhì)預(yù)報是多種預(yù)測手段的綜合系統(tǒng)，要保證預(yù)報的精確性，必須堅持多種方法相結(jié)合的原則，才能減少漏報、誤報，最大程度地規(guī)避施工風(fēng)險，確保施工安全。

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