曾　鵬，鐘勇奇，江星宏，楊新安

(1.中鐵五局集團第四工程有限公司，廣東韶關　512031；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海　201804)

?

壁板坡隧道富水逆斷層綜合超前地質預報實踐

曾鵬1，鐘勇奇1，江星宏2，楊新安1

(1.中鐵五局集團第四工程有限公司，廣東韶關512031；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804)

摘要：壁板坡隧道為滬昆客運專線最長隧道，洞身被3條逆斷層帶切割，圍巖破碎，地下水發(fā)育，工程地質條件復雜，針對壁板坡隧道富水逆斷層帶，建立超前地質預報體系。在分析總結已有超前地質預報成功經驗的基礎上，從短距離預報和中、長距離預報的角度，建立適用于壁板坡隧道復雜地質條件的超前地質預報體系。在隧道大角度穿越楊梅山-小達村逆斷層中，以TSP長距離預測、紅外探水短距離預測、超前地質鉆探復核預測的方式，準確探知施工中可能出現的富水破碎帶的位置和富水程度，為防范施工風險，確保施工安全提供了可靠依據，驗證了該超前地質預報體系的可靠性及其效果。

關鍵詞：鐵路隧道；超前地質預報；富水逆斷層；巖溶；綜合預報技術

壁板坡隧道全長14 756 m，為國內在建高鐵特長隧道之一，是滬昆客運專線全線控制性工程。隧道集高承壓水、巖溶、斷層破碎帶、煤層瓦斯、采空區(qū)、高地應力、巖爆等不良地質于一體，屬一級高風險隧道，施工難度和安全風險極大，工期緊張，施工壓力大。

地質工作是隧道工程的基礎，準確掌握隧道地質情況對確定施工方案，保證施工進度和施工安全有重要意義[1]。超前地質預報作為災害預防的常規(guī)方法，合理有效的使用具有重要意義。不成體系的超前探測不能準確探知不良地質體，易導致施工盲目，發(fā)生安全事故。如宜萬鐵路馬鹿箐隧道和野三關隧道突水事故。結合多種超前地質預報技術、取長補短、相互驗證、相互補充，建立適合于探測壁板坡隧道富水斷層的綜合超前地質預報體系，是施工安全的重要保障[2-3]。

結合目前超前地質預報的實踐成果，從短距離預報和中、長距離預報的角度出發(fā)，建立了適用于不同圍巖條件的超前地質預報體系，并結合壁板坡隧道平導大角度穿越楊梅山-小達村逆斷層的成功預報，驗證了所采用的預報體系的準確性和適用性，對復雜地質條件下的隧道施工超前預報有指導意義。

1綜合超前地質預報體系

超前地質預報體系在國內隧道工程中已有多年實踐，如宜萬鐵路隧道、廈門海底隧道、青島膠州灣海底隧道等。壁板坡隧道斷層帶圍巖破碎富水，需結合該隧道的深埋、斷層破碎、富水等特征，借鑒已有工程經驗，綜合分析各種探測方法的優(yōu)缺點，取長補短，建立適用于壁板坡隧道的超前地質預報體系[4-8]。

超前地質預報方法，根據時間和空間距離可分為短距離預報和中長距離預報，按實施方法可分為超前鉆探和物探方法。在超前地質預報的各種方法中，TSP作業(yè)快，測距長，成本低，適用于中、長距離預測；地質鉆探預測精度高，費用高，適用于特殊區(qū)段復核預測；地質雷達探測距離短，速度快，成本低，對隧道及周圍空洞、含水狀況預測精度高，適用于短距離預測；紅外探水靈敏度高，解譯快，適用于短距離預測；常規(guī)地質法成本低，速度快，不占用施工時間，能全面獲得工作面巖性，適用于短距離預測[9-13]。常用隧道超前地質預報方法及其優(yōu)缺點如表1所示。

表1　常用隧道超前地質預報方法及其優(yōu)缺點

本文采用的超前預報體系包括宏觀預測、長距離預報、短距離預報、復核預報4個階段，該體系的流程見圖1。體系從隧址區(qū)域構造資料、地質勘探資料出發(fā)，通過工程分析，粗略得到隧道區(qū)域地層巖性、地質構造和水文地質狀態(tài)，進而確定隧道穿越區(qū)域的圍巖等級、災害等級、災害類型。宏觀預測隧道內斷層、巖溶、地下水、煤層、瓦斯等不良地質體可能的分布區(qū)域和分布規(guī)模。

圖1　超前地質預報體系[10]

結合TSP203、陸地聲納等遠距離探測儀器，預測隧道開挖面前方大范圍區(qū)域可能出現的不良地質，初步確定斷層破碎帶、巖層分界面，溶洞等不良地質體的位置、產狀和富水程度。

結合地質雷達、紅外探水等短距離預報方法，對遠距離地質預報探得的不良地質體進行針對性探測，確定前方地層的巖性、地質構造、地下水狀態(tài)，確定不良地質體位置、規(guī)模和不良程度。為調整圍巖等級、支護手段和支護參數提供依據。

采用超前地質鉆探對可能引發(fā)災害的不良地質體進行驗證探測，獲得巖性參數、巖層產狀和影響范圍，采取專項措施對不良地質體進行處理，勘探處理后圍巖條件，判斷其是否滿足開挖要求，若滿足則預報進入下一循環(huán)。

1.1地質預報方法

1.1.1地質素描法

地質素描是利用素描的方法描述開挖面的圍巖特性、構造特性和含水狀態(tài)。通過地質素描，了解區(qū)域地質和附近巖體構造單元及其特征，以及工程范圍內的地層巖性、圍巖類別、地下水發(fā)育特征等。

1.1.2紅外探水

紅外探水是根據一切物質都在向外輻射紅外電磁波的現象，通過接收和分析紅外輻射信號進行超前地質預報的物探方法，有效預報距離在30 m以內。紅外探水具有探測速度快，不占用施工時間，資料分析快，能有效預報工作面前方有無隱伏含水體，但對含水層的位置、富水狀態(tài)、水壓、出水量卻無法預知。

1.1.3超前地質鉆探

超前地質鉆分為沖擊鉆和回轉取芯鉆，一般地段采用沖擊鉆，每循環(huán)可鉆30～50 m?？赏ㄟ^沖擊器的響聲、鉆速及其變化、巖粉、卡鉆情況、鉆桿振動情況、沖洗液的顏色及流量變化等粗略探明巖性、巖石強度、巖體完整程度、溶洞、暗河及地下水發(fā)育狀況。超前地質鉆探是有效、直觀、準確的超前預報方法，但其占用工作面，影響掘進效率。

1.1.4TSP

TSP超前預報方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。通過小藥量爆破產生地震波信號沿隧道方向以球面波的形式傳播，在巖體界面處被反射，通過計算分析接收的反射信號可獲得各種圍巖結構面的產狀，以及巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數。TSP具有長距離探測的能力，有效探測距離可達150～300 m，能對掌子面前方巖性變化的巖溶、斷層、軟弱面或含水層等做出定性探測，但難以對突涌水量和水壓進行定量預測

2楊梅山—小達村斷層探測實踐

壁板坡隧道不良地質中，楊梅山—小達村逆斷層距洞口最近，規(guī)模最大，且與大羅沖斷層相近，施工風險大，在施工中采取綜合超前地質預報技術來預報圍巖狀態(tài)，保障施工安全。

2.1概況

楊梅山—小達村斷層為一高角度的壓性逆斷層，規(guī)模較大，斷層走向北偏東10°～40°，傾向南東，傾角31°～70°，斷距達700～2 000 m。斷層上盤為石炭系灰?guī)r，下盤為二疊系玄武巖及茅口組灰?guī)r。斷層破碎帶寬100～150 m，帶內節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，可見斷面擦痕，地貌上為斷層崖。

圖2　隧道縱斷面巖性

楊梅內—小達村斷層的推斷范圍為隧道DK890～DK891段，圍巖縱斷面特征如圖2所示。隧道穿越圍巖從左到右依次為：石炭系下統(tǒng)大塘組上司段(C1ds)灰?guī)r夾白云巖、頁巖；石炭系下統(tǒng)巖關組(C1y)泥質灰?guī)r夾頁巖；峨眉山玄武巖組(P2β)泥巖夾砂巖。楊梅山-小達村斷層不僅是斷層破碎帶，也是非可溶巖與非可溶巖的接觸帶。

楊梅山-小達村斷層處于Ⅰ2水系統(tǒng)中，該系統(tǒng)地表上屬北盤江水系，該系統(tǒng)含水層富水性較好，由南向北沿途有泉點出露，泉點高程高，地下巖溶水較發(fā)育，且具有一定承壓性，隧道施工中發(fā)生涌水、突水、突泥等地質災害的風險較高。

2.2綜合超前地質預報

楊梅山—小達村斷層區(qū)段圍巖破碎，巖溶地下水發(fā)育，災害等級高，在施工中需采取綜合超前地質預報體系來保障施工安全[14-15]。超前地質預報采取TSP先行，紅外探水緊跟，超前地質鉆驗證的方式進行。

2.2.1TSP

(1)TSP探測主要參數

掘進面位置為PDK980+267時實施TSP探測，設計為24個炮孔，2個接收器接收，位于隧道里程PDK980+198處。通過試驗，確定采用藥量為75～100g乳化炸藥。采用X-Y-Z三分量接收數據，采樣間隔62.5 μs，記錄長度451.125 ms。實際激發(fā)24炮，記錄合格24炮，可用于數據處理和解釋。炮眼布置如圖3所示。

圖3　炮孔布置(單位：m)

炮孔布置時，接收器距地面高度1.5 m，孔徑50 mm，孔深2.0 m，向上傾斜5°～10°，距離掌子面約65 m，在隧道左、右邊墻各1個，用錨固劑固結。各炮點與接收器孔基本在同一水平面，共24個，沿徑向布置，直徑40 mm，孔深1.4～1.9 m，向下傾斜5°～20°(激發(fā)時水封填炮孔)，在隧道的左邊墻，第一個炮孔距離接收器20 m，其余炮孔間距約1.5 m。

(2)TSP成果解譯

TSP探測結果如圖4所示，圖中上部為TSP探測獲得的圍巖參數信息，下部為2D成果圖。對比分析波速、泊松比、密度及靜態(tài)楊氏模量在探測里程的波動規(guī)律，可將結果分為3段，圖中以黑線隔開區(qū)分，具體如下。

①PDK980+267～PDK980+314(47 m)

此段各項參數信息小幅波動，2D成果圖中圍巖模量介于淺藍與淺紅間，圍巖完整性較好。在里程DK980+280～YDK980+294處，波速、泊松比降低，密度、模量突變，局部圍巖較破碎，并有小規(guī)模巖溶發(fā)育，弱富水，施工中應及時支護。

②PDK980+314～PDK980+349(35 m)

此段各項參數信息不規(guī)律大幅波動，P波速度小幅下降，泊松比小幅增減，2D成果圖中紅藍相間，圍巖破碎，裂隙較發(fā)育，弱～中等富水。其中PDK980+335～PDK980+343段(圖中矩形框范圍)，各項圍巖參數陡降陡升，存在溶洞或溶蝕裂隙，施工時需采用超前鉆探進行核實，注意防排水。

③PDK980+349～PDK980+377(28 m)

此段P波波速下降明顯，泊松比陡降，圍巖較破碎～破碎，局部裂隙較發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，較富水，應加強支護強度。

圖4　TSP超前地質預報成果

2.2.2紅外探水

平導里程PDK980+310處紅外探水測線布置如圖5所示。掌子面探測布設4條測線，每條測線均布6個測點?？v向測線布設在底板中部、右邊墻腳、右邊墻、拱頂、左邊墻、左邊墻腳，每條測線均布12個測點，測點間距為5 m。

圖5　紅外測線布置

(1)開挖面巖體上布置24個測點的紅外輻射場強值如表2所示，橫縱向極差最大分別為25、27 μW/cm2，整個工作面最大值為263 μW/cm2，最小值為234 μW/cm2，差值為29 μW/cm2。一般認為紅外探測理論安全值為10 μW/cm2，其橫縱向極差均遠大于此，可判定工作面前方極可能存在出水點。

表2　工作面紅外探測記錄　μW/cm2

(2)現場所測左邊墻腳、左邊墻、拱頂、右邊墻、右邊墻腳、底板中線的輻射場強值如圖6所示。在隧道里程PDK980+255～PDK980+285范圍，紅外強度緩慢上升，里程PDK980+285～PDK980+310范圍，紅外強度呈指數上升，由此可判定隧道前方富水，而拱頂和右邊墻止升幅度較大，由此可推測，水流位置為斷面右上方。

圖6　隧道縱向紅外輻射強度

結合(1)、(2)節(jié)所述及已開挖揭示的圍巖情況推測里程PDK980+310～PDK980+340富水，可能在平導右上方有出水點。

2.2.3超前地質鉆探

TSP和紅外探水結果顯示，平導里程PDK980+310～PDK980+340范圍內圍巖破碎，富水程度高，可能危及施工安全，需采用超前地質鉆進行驗證。結合工程實際，采用沖擊鉆方案，根據鉆進參數、出水量、巖屑情況判定前方圍巖破碎程度和富水狀態(tài)。

鉆進參數中推進力、鉆孔速度、回轉數、扭矩與鉆進深度的關系見圖7，可見，鉆進過程中，鉆進速度波動大，鉆孔過程中偶爾出現卡鉆現象，推進力波動頻繁，圍巖破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。平導PDK980+313～PDK980+315、PDK980+323～PDK980+326、PDK980+342～PDK980+344里程范圍內，扭矩大幅下降，存在軟弱夾層或溶蝕洞穴，由流出巖屑判定為泥巖夾層。鉆進結束終孔時，有較大水流流出，前方巖層存在承壓水體。超前鉆探結果顯示：平導里程PDK980+310～PDK981+346范圍內，巖層以灰?guī)r為主，巖質較堅硬，中厚層狀，局部夾泥巖，施工時進一步采用加深炮孔進行探測，并加強突泥、突水災害防范。

圖7　鉆探成果

3探測結果與評價

如圖8所示，平導進口工作面PDK980+342巖性揭示為中風化灰?guī)r，巖體破碎，溶蝕發(fā)育，較堅硬。順層節(jié)理發(fā)育，間距為0.3 m，層間夾黃色黏土，節(jié)理方向與隧道軸向呈45°夾角。工作面右上方有股狀出水，具有承壓性，水量較大，水質渾濁，需加強防排水。開挖面穩(wěn)定性一般，整體為Ⅴ級圍巖，需加大支護強度。

圖8　開挖揭示隧道工作面

結合超前地質預報和工作面開挖揭示情況，可以得出，在大角度穿越楊梅山—小達村斷層中，綜合超前地質預報體系的應用，能準確探知工作面前方一定范圍內不良地質體的類型和程度，為施工提供預警，保障施工安全。

4結語

(1)通過對比分析不同超前地質預報方法的適用性、優(yōu)缺點和預測范圍，建立了綜合超前地質預報體系，并在壁板坡隧道工程中成功應用。

(2)楊梅山—小達村斷面規(guī)模大、巖層破碎、地質災害可能性大。施工中采用了TSP、紅外探測和超前地質鉆探相結合的綜合地質探測和預報方法，預報斷層分布、破碎情況、富水程度與開挖揭示相近，證明綜合超前地質預報體系的準確性高，效果好。

(3)不同的隧道超前地質預報技術受限不同，各有優(yōu)缺點，只有開展多層次、多手段的綜合超前地質預報，并貫穿于施工全過程，才能提高超前地質預報精度，保障復雜地質條件下的隧道施工安全，降低工程風險。

參考文獻：

[1]劉輝，張智超，王林娟.2004～2008年我國隧道施工事故統(tǒng)計分析[J].中國安全科學學報，2010，20(1):96-100.

[2]李術才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質預報研究現狀及發(fā)展趨勢[J].巖石力學與工程學報，2014，33(6):1090-1113.

[3]陶志剛，張斌，何滿潮. 羅山礦區(qū)滑坡災害發(fā)生機制與監(jiān)測預警技術研究[J].巖石力學與工程學報，2011(S1):2931-2937.

[4]王盡忠.TSP超前地質預報在中天山隧道1號斜井雁行式斷裂帶探測中的應用[J].國防交通工程與技術，2013，11(5):66-68.

[5]薛翊國，李術才，蘇茂鑫，等.隧道施工期超前地質預報實施方法研究[J].巖土力學，2011，32(8)：2416-2422.

[6]羅利銳，劉志剛，閆怡沖.超前地質預報系統(tǒng)的提出及其發(fā)展方向[J].巖土力學，2011(S1)：614-618.

[7]薛翊國，李術才，蘇茂鑫.青島膠州灣海底隧道含水斷層綜合超前預報實踐[J].巖石力學與工程學報，2009，28(10):2081-2087.

[8]胡輝榮.TSP203 Plus超前地質預報系統(tǒng)在高竹頂隧道斷層中的應用[J].鐵道工程學報，2011(5):1-4.

[9]蘇茂鑫，錢七虎，李術才，等.一種巖溶地質條件下的城市地鐵超前預報方法[J].巖石力學與工程學報，2011，30(7):1428-1434.

[10]舒森.巖溶隧道突水突泥預報綜合評估[J].鐵道標準設計，2015(4):72-79.

[11]王利偉，徐永明.綜合超前地質預報在隧道施工中的應用探討[J].鐵道標準設計，2014，58(S1):164-167.

[12]梁樹文.寶蘭客運專線黃土隧道超前地質預報方法的研究[J].鐵道標準設計，2015，59(3):87-90.

[13]王振宇，程圍峰.基于掌子面編錄和地質雷達的綜合超前預報技術[J].巖石力學與工程學報，2010，29(A02):3549-3557.

[14]原小帥，張慶松.TSP超前地質預報異常地震波信號[J].山東大學學報：工學版，2009，39(4):53-56.

[15]張慶松，李術才.公路隧道超前地質預報應用現狀與技術分析[J].地下空間與工程學報，2008，4(4):766-771.

Advanced Geological Prediction of Water-rich Reverse Faults in Tunnel Wall Slope

ZENG Peng1， ZHONG Yong-qi1， JIANG Xing-hong2， YANG Xin-an2

(1.The Forth Engineering Co.， Ltd.， China Railway No.5 Engineering Group， Shaoguan 512031， China; 2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804， China)

Abstract：Bibanpo extra-long tunnel is the longest tunnel on Shanghai-Kunming high-speed railway. The tunnel body is cut by three by faults with broken surrounding rock， rich groundwater and complex engineering geological conditions. An advanced geological prediction system is established in perspective of short-term forecasting and medium and long-term forecasting for such a tunnel. The system uses TSP for long range forecasting， infrared exploring meter for short range and geological drilling to accurately detect the location of water-rich broken zone and the degree of water content， providing an important basis for construction plan and tunnel safety and verifying the effectiveness of the system in engineering application．

Key words：Railway tunnel; Advanced geological prediction; Water-rich reverse fault; Karst; synthetic prediction technique

文章編號：1004-2954(2016)05-0079-05

收稿日期：2015-07-28； 修回日期：2015-08-30

基金項目：中鐵五局集團科技研究開發(fā)計劃課題(2012005)

作者簡介：曾鵬(1978—)，男，工程師，E-mail：184634347@qq.com。

中圖分類號：U452.1+1

文獻標識碼：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.017