付 偉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西西安 710043)

當(dāng)金山隧道地質(zhì)災(zāi)害與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警分析

付 偉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西西安 710043)

當(dāng)金山隧道地處阿爾金山與祁連山結(jié)合部位的當(dāng)金山中高山區(qū)，通過(guò)兩條區(qū)域性大斷裂、8條次級(jí)斷層、3條背斜及4條向斜，存在高地應(yīng)力軟巖大變形、巖爆、突涌水等施工地質(zhì)問(wèn)題。結(jié)合國(guó)內(nèi)外特長(zhǎng)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，在充分分析隧道可能存在的施工地質(zhì)問(wèn)題基礎(chǔ)之上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外特長(zhǎng)隧道施工經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，以F5活動(dòng)性斷層為例，提出了一套特長(zhǎng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警預(yù)案。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào) 管理 預(yù)警分析 大變形 當(dāng)金山隧道

1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隧道施工技術(shù)得到了迅速提高和進(jìn)步，隧道長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，斷面也越來(lái)越大，各種施工方法也相繼據(jù)產(chǎn)生[1]。鑒于目前國(guó)內(nèi)投資環(huán)境、資金等限制因素，施工過(guò)程中除極少高風(fēng)險(xiǎn)隧道將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入施工管理程序進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究外，絕大多數(shù)隧道施工中對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作不甚重視。同時(shí)，在開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，大多數(shù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)單位并未結(jié)合前期勘察成果進(jìn)行深入分析，只是在已經(jīng)出現(xiàn)坍塌、突涌水等事故情況下才不得不被動(dòng)地進(jìn)行后期綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，給國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法眾多，使用較多的有地質(zhì)分析法、地質(zhì)素描法、超前水平鉆探、TSP法，地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、陸地聲納法及激發(fā)激化法等[2]。

2 隧道施工次生地質(zhì)災(zāi)害因素分析

目前，對(duì)于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的研究較為成熟，但對(duì)于綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理系統(tǒng)研究則較少[3]。對(duì)于隧道來(lái)說(shuō)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的時(shí)效性尤為關(guān)鍵，若能將一套高效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施方案付諸實(shí)施，對(duì)減少隧道坍塌具有重要意義。目前，在隧道動(dòng)態(tài)施工中對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施較為成功的有雪峰山高速公路隧道[4]、雁門(mén)關(guān)隧道等。盡管科學(xué)技術(shù)日新月異，但對(duì)于長(zhǎng)大隧道的地質(zhì)地質(zhì)勘察工作仍無(wú)法擺脫“雙腿+榔頭+羅盤(pán)”的原始方式，即便是采用鉆探及物探手段進(jìn)行驗(yàn)證，受勘察成本限制，加之工作面前方地質(zhì)條件復(fù)雜多變、局部隧道覆蓋層厚、埋深大、建筑物稠密等原因，對(duì)于隧道工程來(lái)說(shuō)，會(huì)導(dǎo)致前期地質(zhì)勘察結(jié)果細(xì)部地質(zhì)特征與實(shí)際有所差別[5]，繼而帶來(lái)施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于深埋長(zhǎng)大越嶺隧道來(lái)說(shuō)，如何有效分析隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，有針對(duì)性的開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作對(duì)隧道安全施工尤為重要。

不同的地質(zhì)條件會(huì)造成不同的施工地質(zhì)災(zāi)害，如何有效分析隧道施工風(fēng)險(xiǎn)要從隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析。

3 當(dāng)金山隧道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分析

3.1 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析

當(dāng)金山隧道地形地質(zhì)條件復(fù)雜，影響隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較多。因此，該隧道在進(jìn)口段設(shè)置長(zhǎng)度12.52 km長(zhǎng)平導(dǎo)(見(jiàn)圖1)，利用平導(dǎo)查明隧道通過(guò)區(qū)地質(zhì)條件，并指導(dǎo)隧道施工。

圖1 隧道工程設(shè)置示意

基于該隧道采用平導(dǎo)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的的施工特點(diǎn)，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作主要在平導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查法在隧道正洞內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充。

正在施工的當(dāng)金山隧道為墩格鐵路的控制性工程，該隧道地處阿爾金山與祁連山結(jié)合部位的當(dāng)金山中高山區(qū)，隧道長(zhǎng)20.14 km，為單面坡隧道，進(jìn)出口高差約300 m。隧道通過(guò)地層主要為長(zhǎng)城系云母石英片巖，志留系中、下統(tǒng)云母石英片巖、綠泥石英片巖、大理巖及加里東期花崗巖；洞身通過(guò)兩條區(qū)域性斷裂及8條次級(jí)斷層破碎帶，累計(jì)斷層破碎帶寬度長(zhǎng)度約1.35 km；通過(guò)三條背斜及4條向斜，最大埋深750 m，隧道通過(guò)寬度約850 m的F5深埋活動(dòng)性斷裂。隧道存在高地應(yīng)力，局部存在極高地應(yīng)力，施工中有產(chǎn)生巖爆及軟弱圍巖大變形、突涌水等施工風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)測(cè)該隧道最大涌水量為79 647 m3/d，反坡施工排水困難。為此，隧道設(shè)計(jì)中采用平導(dǎo)超前施工，利用平導(dǎo)預(yù)測(cè)正洞工作面的地質(zhì)條件。該隧道存在的主要施工風(fēng)險(xiǎn)見(jiàn)表1。

表1 當(dāng)金山隧道主要施工風(fēng)險(xiǎn)

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法優(yōu)劣性分析

該隧道通過(guò)斷層破碎帶寬度較大，但不存在巖溶問(wèn)題。針對(duì)隧道可能存在的施工風(fēng)險(xiǎn)，考慮到不同地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的優(yōu)劣性差異，在全隧道采用地質(zhì)編錄基礎(chǔ)之上，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查法，遵循洞內(nèi)外相互印證、地質(zhì)與物探相互結(jié)合、長(zhǎng)短結(jié)合的方式，采用較為成熟的預(yù)報(bào)方法進(jìn)行預(yù)報(bào)，常見(jiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法優(yōu)劣性見(jiàn)表2。

3.3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制研究

當(dāng)金山隧道地形地質(zhì)條件復(fù)雜，針對(duì)該隧道三高(海拔高、地應(yīng)力高、地震烈度高)、兩低(氣溫及氣壓低)、三長(zhǎng)(單面坡長(zhǎng)、獨(dú)頭通風(fēng)距離長(zhǎng)、反坡排水距離長(zhǎng))、兩多(斷層破碎帶多、不良地質(zhì)多)、“兩大(埋深大、水量大)的工程特點(diǎn)，結(jié)合該隧道采用大型機(jī)械化配套施工的特點(diǎn)，對(duì)該隧道采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案。

對(duì)于深埋特長(zhǎng)隧道來(lái)說(shuō)，由于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果的多解性，要求在預(yù)報(bào)過(guò)程中需對(duì)隧道的區(qū)域地質(zhì)背景以及前期地質(zhì)資料進(jìn)行詳細(xì)分析，并結(jié)合施工階段地質(zhì)調(diào)查與物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，多種預(yù)報(bào)方法交叉使用，可以大大提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果的準(zhǔn)確性。而時(shí)效性則是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的又一重要特征，向施工單位及設(shè)計(jì)部門(mén)準(zhǔn)確、及時(shí)提供超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，有助于準(zhǔn)確把握施工節(jié)奏、降低施工風(fēng)險(xiǎn)。一般而言，對(duì)于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果時(shí)效性的要求，則根據(jù)地質(zhì)復(fù)雜程度的不同，結(jié)合隧道各區(qū)段風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分，有不同的要求。在巖體較完整，施工風(fēng)險(xiǎn)較小時(shí)，則48 h內(nèi)提供電子版綜合物探成果報(bào)告，一周內(nèi)提供可視文檔；存在一定施工風(fēng)險(xiǎn)，工作面前方有可能產(chǎn)生小的坍塌，屬于警報(bào)，12 h內(nèi)提供電子文檔，同步提醒施工單位注意施工安全；當(dāng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果發(fā)現(xiàn)工作面前方出現(xiàn)較大施工風(fēng)險(xiǎn)，巖體極破碎，有可能產(chǎn)生坍塌、突水突泥時(shí)，應(yīng)在6 h候內(nèi)提交電子文檔，并建議加強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，確保施工安全。

表2 常見(jiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施過(guò)程中，先根據(jù)地質(zhì)編錄及地質(zhì)調(diào)查法初步判定工作面前方近距離地質(zhì)條件，然后結(jié)合TSP探測(cè)結(jié)果，確定是否采用其他物探方法。在該隧道中由于F5斷層破碎帶內(nèi)物質(zhì)組成復(fù)雜、埋深大，具有高地應(yīng)力，設(shè)計(jì)中采用多種方法進(jìn)行探測(cè)，尤其是在進(jìn)出斷層破碎帶時(shí)，還需采用超前水平鉆探進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，其具體實(shí)施流程見(jiàn)圖2。

圖2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程

4 針對(duì)F5斷層的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警分析

F5斷層為全新世活動(dòng)性斷裂，產(chǎn)狀N70°～85°E/65°～80°N，寬度約825 m，EH4分析結(jié)果顯示斷層破碎帶下大上小，呈倒喇叭型(見(jiàn)圖3、圖4)。核部為斷層角礫，兩側(cè)為壓碎巖，北側(cè)為侵入接觸帶，該斷層為左旋走滑并向南逆沖的全新世活動(dòng)性斷裂[7]，存在高地應(yīng)力。隧道在通過(guò)斷層破碎帶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生軟弱圍巖大變形，在通過(guò)花崗巖地段會(huì)產(chǎn)生巖爆。F5斷層破碎帶綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖3 F5斷層破碎帶平面示意

圖4 F5斷層破碎帶縱斷面

5 結(jié)論

(1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的最終目的是為施工服務(wù)，因此超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)具有很強(qiáng)的時(shí)效性，這就要求超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果及時(shí)、準(zhǔn)確，讓設(shè)計(jì)和施工具有可操作性。

(2)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果的分析，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，必要時(shí)應(yīng)采用多種預(yù)報(bào)方法綜合運(yùn)用，以減少物探解析結(jié)果多解性與實(shí)際結(jié)果的偏差。

圖5 F5斷層破碎帶綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)示意

(3)對(duì)于在施工中有可能產(chǎn)生后期變形地段，不僅僅要重視工作面前方地質(zhì)條件的預(yù)報(bào)，同時(shí)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，對(duì)施工及后期可能存在的施工地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)，必要時(shí)應(yīng)采取積極應(yīng)對(duì)措施，避免初期支護(hù)完成之后產(chǎn)生變形，甚至坍塌。

(4)對(duì)于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，僅僅具有好的預(yù)報(bào)方案是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如何將施工預(yù)警機(jī)制與實(shí)施方案以及施工團(tuán)隊(duì)有機(jī)結(jié)合，同時(shí)運(yùn)用準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)指導(dǎo)施工，對(duì)于保障施工安全，提高工作效率具有積極意義。

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EarlyWarningAnalysisAboutGeologicalDisastersDuringConstructionandAdvanceGeologicalForecastofDangJinshanTunnel

FU Wei

2014-02-20

付 偉(1981—)，男，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，工程師。

1672-7479(2014)04-0054-04

U456.3+3

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