帥文斌

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程項(xiàng)目有限公司，山東濟(jì)寧 272117)

0 引言

隨著我國鐵路、公路建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道工程已經(jīng)向長大埋深方向發(fā)展。因此，近幾年，穿越高地應(yīng)力區(qū)且地質(zhì)環(huán)境惡劣的軟弱圍巖長大隧道工程不斷涌現(xiàn)，如青藏線的關(guān)角隧道，寶中線的大寨嶺隧道，南昆線穿越煤系底層的家竹箐隧道，川藏線的二郎山公路隧道等。高地應(yīng)力對巖土工程的影響是顯著的，尤其是在穿越軟弱圍巖的隧道工程。

為了確保高地應(yīng)力隧道在穿越軟弱圍巖區(qū)的施工安全，對不良地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)超前預(yù)報(bào)，是在隧道設(shè)計(jì)和施工中亟待研究與解決的問題。在隧道施工建設(shè)過程中，初勘中采用的地面調(diào)繪、鉆探、物探、遙感判譯、波速測井等等方法，很難精確地判定軟弱圍巖的段落，給施工帶來了極大困難，甚至造成巨大人員傷亡事故。

目前，隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)探測距離可分為長期(長距離)和短期(短距離)兩種預(yù)報(bào)形式。長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用TSP探測方法，短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用地質(zhì)雷達(dá)探測。TSP發(fā)射地震超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法具有預(yù)報(bào)距離長，不占用隧道工作面，對施工影響小的優(yōu)點(diǎn)。而地質(zhì)雷達(dá)受外界影響較小，預(yù)報(bào)結(jié)果較準(zhǔn)確，對短距離范圍內(nèi)的斷層破碎帶、導(dǎo)水通道、巖溶等地質(zhì)異常反應(yīng)敏感，在一定程度上可彌補(bǔ)TSP對部分小型不良地質(zhì)體敏感程度較弱的不足。所以，利用綜合超前預(yù)報(bào)方法可為復(fù)雜條件下隧道施工安全提供保障。

1 六盤山隧道軟巖破碎帶特征

六盤山隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道，隧道長度9 480 m，左右線間隔31 m～48 m，屬超長隧道。左線隧道起止R=3 060的圓曲線上，隧道縱坡為1.676/－2.782;右線隧道起止樁號(hào)為 K6+230，K15+710，右線進(jìn)口位于直線上，出口位于半徑為R=3 080的圓曲線上，隧道縱坡為1.68/－2.7。

隧道施工區(qū)內(nèi)地貌以成因類型、形態(tài)可劃分為侵蝕構(gòu)造中低山、侵蝕構(gòu)造丘陵、渝河三級階地和侵蝕堆積河谷四種地貌類型。隧道選址范圍內(nèi)，出露地層主要為白堊系、第三系，并有覆蓋于基巖之上的第四系堆積層。

其中，第三系、白堊系的干旱氣候條件下形成的以陸相沉積為主的碎屑沉積巖層，常賦存于復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，而且?guī)r性親水性強(qiáng)，遇水易軟化(或膨脹)，飽和抗壓強(qiáng)度低，屬于軟巖或較軟巖，部分為極軟巖。六盤山隧道初勘巖組中，第三系漸新統(tǒng)清水營組(E3q)主要分布于涇源東山坡、頓家川及隆德陳靳鄉(xiāng)花土灣一帶。巖性為磚紅色塊狀粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，細(xì)砂巖，呈中厚層狀，局部有石膏層，膠結(jié)較差。白堊系下統(tǒng)李洼峽組(K1l)大部分為暗紫色粉砂質(zhì)泥巖，一般占70%～80%，局部占50%，中厚層狀，多為鈣質(zhì)膠結(jié)。

隧道修建區(qū)域內(nèi)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，具體表現(xiàn)為褶皺和斷裂發(fā)育。紅莊～山河鎮(zhèn)向斜北段開闊，南段收斂，向南東方向傾伏，褶皺軸形態(tài)與六盤山山體基本一致，繞六盤山呈半圓弧形分布。米缸山背斜東翼受斷層影響，地層傾角較陡。固原～涇源向斜在下白堊系地層在燕山期褶皺形成向斜，喜山期和下第三系地層又繼承性發(fā)張。區(qū)域內(nèi)主要有兩條斷裂構(gòu)造:靳家溝～南臺(tái)逆斷層(F1)和六盤山(和尚鋪～涇源)深大斷裂(F2)。其中，六盤山深大斷裂(F2)燕山期已形成，喜山期至今尚有強(qiáng)烈活動(dòng)，在和尚鋪和東山坡、頓家川等地?cái)鄬由舷卤P白堊系局部形成牽引褶皺，并伴有次級斷裂發(fā)育。

隧址區(qū)地應(yīng)力高，圍巖膠結(jié)及成巖性差，屬軟巖或較軟巖，部分為極軟巖，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，褶皺及斷層發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，在隧道施工中易產(chǎn)生大坍塌、崩落、掉塊等。

2 六盤山隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2.1 TSP203探測原理及結(jié)果處理

TSP測量系統(tǒng)是通過在掌子面后方一定距離內(nèi)的鉆孔中以微震爆破來發(fā)射信號(hào)的，爆破引發(fā)的地震波在巖體中以球面波的形式向四周傳播，在傳播過程中遇不良地質(zhì)體被反射回來，測量系統(tǒng)用三分量傳感器將這些信號(hào)進(jìn)行采集并記錄，通過反射時(shí)間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進(jìn)面的距離確定下來，同時(shí)還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便的探測出來。

本次預(yù)報(bào)采用TSP203plus系統(tǒng)，預(yù)報(bào)范圍是YK14+200～YK14+100。圖1是探測結(jié)果的深度偏移圖。

圖1 深度偏移圖

根據(jù)TSP探測結(jié)果分析，在YK14+174～YK14+162范圍內(nèi)，縱波、橫波波速降低，縱橫波波速之比、泊松比明顯增加，密度、楊氏模量降低，深度偏移圖上存在兩層強(qiáng)烈正反射，并繼之以強(qiáng)烈負(fù)反射，且反射帶內(nèi)條帶延伸性差，甚至存在尖滅現(xiàn)象。結(jié)合初勘資料，推斷此段落圍巖堅(jiān)硬程度降低，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，裂隙和層面較發(fā)育，巖體呈破碎狀態(tài)。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測原理及結(jié)果處理

地質(zhì)雷達(dá)(GPR)利用發(fā)射天線向被測面內(nèi)部發(fā)射電磁波，接收天線接收來自被測面內(nèi)部不同介質(zhì)面的反射波。電磁波的路徑、強(qiáng)度和波形在不同的介質(zhì)傳播時(shí)會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)接收到的電磁波的走時(shí)、振幅和波形等可研判介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。地質(zhì)雷達(dá)能夠預(yù)報(bào)被測面前方地層巖性的變化，對于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識(shí)別能力。

本次預(yù)報(bào)探測工作在樁號(hào)YK14+178處開展，預(yù)報(bào)采用SIR3000型地質(zhì)雷達(dá)，天線頻率為80 MHz。探測結(jié)果解譯圖如圖2所示。

根據(jù)雷達(dá)探測結(jié)果，在YK14+174～YK14+168段存在強(qiáng)反射區(qū)域，在該段落前后，反射信號(hào)發(fā)生角度變化，表明該段落巖體處于巖層產(chǎn)狀急劇變化，或受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，裂隙非常發(fā)育，巖體處于破碎狀態(tài)，且該段落巖體極有可能富水，發(fā)育有裂隙水。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)狀況和相關(guān)資料判斷，該段落為第三系、白堊系形成的紅層軟巖的不整合接觸帶，受巖層角度不整合控制和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，圍巖整體穩(wěn)定性差，呈破碎狀態(tài)。

3 實(shí)際開挖及勘測結(jié)果驗(yàn)證

六盤山隧道在開挖至YK14+174處，圍巖產(chǎn)狀急劇變化，發(fā)育有深長裂隙，切割泥質(zhì)粉砂巖。在掌子面下部，出現(xiàn)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的小型褶皺，使巖體處于破碎狀態(tài)。切割巖體的深長裂隙還有滲水現(xiàn)象。

現(xiàn)場地質(zhì)情況如圖3所示。

在后期的監(jiān)控量測中，隧道拱頂下沉和水平收斂數(shù)據(jù)相較于正常段落都偏大，說明該段落構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，圍巖破碎，自穩(wěn)能力下降。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測解譯圖

圖3 現(xiàn)場地質(zhì)情況圖

對比結(jié)果表明，TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能夠?qū)崿F(xiàn)長遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)軟巖破碎帶的比較準(zhǔn)確的定位，地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)技術(shù)能夠準(zhǔn)確判斷破碎帶的實(shí)際位置、規(guī)模大小等。因此，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可對高地應(yīng)力區(qū)隧道軟巖破碎帶的探測提供較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為隧道的施工安全起到指導(dǎo)作用。

4 結(jié)語

利用綜合預(yù)報(bào)分析方法對處于高地應(yīng)力區(qū)的六盤山隧道軟巖破碎帶進(jìn)行了精確的預(yù)報(bào)。TSP超前預(yù)報(bào)方法可以較準(zhǔn)確的判定隧道前方不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模，地質(zhì)雷達(dá)的探測可及時(shí)精確的給出隧道開挖前方不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模。在高地應(yīng)力的軟巖隧道工程中，這種長短結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)方法，成功查明隧道施工前方的地質(zhì)狀況，降低了施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)。以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，利用長距離探測與短距離研判相結(jié)合的預(yù)報(bào)方法，可探明隧道地質(zhì)情況，為安全施工提供必要保證。

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