李永志，田洪義

(中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院，廣東 廣州　511458)

受地形地貌及地質條件的制約，鐵路隧道施工中往往會遇到斷層、溶洞、涌水突泥、瓦斯、巖爆、大變形等地質災害，嚴重地威脅到施工人員的生命財產(chǎn)安全，并影響施工進度[1-2]。因此，在地質條件復雜區(qū)域，準確、全面地預報掌子面前方不良地質情況，對隧道的順利施工至關重要。

目前，隧道施工采用的超前地質預報方法主要有地質調查法、物探法、超前鉆探法、超前導坑法等，每種方法都有各自的局限性，均難以對隧道掌子面前方地質情況作出準確、全面的判斷。唐亞輝[3]通過將地質雷達與TSP法結合提高了預報精度。曲海鋒等[4]基于地質調查法、地質雷達、TSP等預報技術提出了綜合地質預報方法。李天斌等[5]通過對物探法適宜性與隧道介質物性差異的分析，提出了以地質分析為核心，物探與地質分析相結合的綜合預報方法。然而，綜合地質預報并非幾類預報方法簡單的疊加，還應結合實際地質情況，構建對應的預報工作流程，方能獲得較為精確的預報結果。

本文基于云南高黎貢山隧道勘察設計資料，針對各種風險類別，選擇適合的預報方法，構建相應的綜合預報工作流程，以期達到較好的預報效果。

1　高黎貢山隧道工程地質概況

高黎貢山隧道位于云南西部地區(qū)，全長 34.538 km，最大埋深 1 155 m，設計速度 140 km/h，是大理至瑞麗鐵路建設中的重要節(jié)點[6]。該隧道一期為Ⅰ線隧道+1座平導+1#斜井(主、副斜井)+1#,2#豎井施工，其中1#斜井位于線路右側，主斜井全長3.85 km，副斜井全長3.87 km。

隧址區(qū)位于滇西南地震帶，受構造作用沿線山脈大體呈南北走向，地表溝谷縱橫、地形起伏大，且斷層分布較為密集。

1#斜井洞身主要穿越寒武系上統(tǒng)保山組二段板巖、砂巖夾泥質條帶灰?guī)r；沙河廠組板巖、粉砂巖夾灰?guī)r、泥灰?guī)r。觀音山-礦洞斷層從洞身局部穿過，破碎帶較多，巖體較破碎。區(qū)域地表水以降雨、河流及水庫水為主，地下水以基巖裂隙水為主，單日最大涌水量可達 12 100 m3,極易引發(fā)涌水突泥事故。1#斜井集中了斷層、富水、軟質巖層變形、高地溫、有害氣體等不良地質條件。預報重點為斷層破碎帶、風化破碎帶、巖性接觸帶及地下水賦存情況。

2　超前地質預報技術

2.1　地質調查法

地質調查法是隧道超前地質預報采用的一種基本方法。主要根據(jù)掌子面地質條件，如結構面產(chǎn)狀及裂隙發(fā)育狀況、巖體破碎程度等，并結合地表地質調查情況進行超前預報[7]。

2.2　物探法

TSP探測是根據(jù)隧道兩側圍巖走向，在邊墻上安裝炸藥作為震源，由此激發(fā)出的地震波在遇到前方和側面的斷層、破碎帶等不良地質體時發(fā)生反射，并由地震檢波器接收，通過對這些地震信號進行分析處理，即可推斷出前方和側面的地質情況[8]。該法對于與隧道大角度相交的斷層、破碎帶、大型異常地質體可進行有效探測，探測距離可達100 m，但對水體探測不敏感。

瞬變電磁法(Time Domain Electromagnetic Method,TEM)是基于巖(礦)石的導電性、導磁性差異，在脈沖磁場間歇利用接收線圈觀測由地下介質引起的二次感應磁場，從而探測地下介質視電阻率的一種方法[9]。該法對含水裂隙、含水破碎帶、溶蝕裂隙及低阻異常帶，尤其是對地下水體的探測較為精準，但對視電阻率差異較小的介質體無反應。

地質雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)探測是基于不同介質的電性差異，通過發(fā)射高頻電磁波，在遇到電性差異目標體時，經(jīng)反射、折射，并最終對不同介質反射回來的電磁波進行數(shù)據(jù)處理、分析、解譯，實現(xiàn)對目標體的探測[10]。該法對圍巖破碎帶、斷層、空洞、裂隙水可實現(xiàn)無損探測，且分辨率高，對多種不良地質體及異常體均有反應。其探測距離一般不超過30 m，且易受掌子面其他因素影響。

2.3　鉆探法

超前水平鉆探法利用鉆機在掌子面進行水平鉆探，從而獲取地質信息。該法配合孔內成像技術，可較為直接地揭示掌子面前方的圍巖及地下水賦存情況，但較費時，且孔數(shù)有限。

加深炮孔法通過在每一開挖循環(huán)過程中鉆取深度比其他炮孔深度深3 m左右的炮孔，以此來判斷掌子面前方圍巖情況。

3　隧道綜合超前地質預報工作流程的構建

隧道綜合超前地質預報工作流程的構建，不是幾類預報方法的簡單疊加，而是根據(jù)具體的項目進行制訂。依據(jù)基礎地質調查及設計資料，對隧道內地層巖性、構造、水文地質情況作出初步風險評價，尤其是對不良地質可能引發(fā)的地質災害要分段進行風險評估。以高黎貢山隧道1#斜井(副井)為例，其高等風險段為大斷層、可溶巖與非可溶巖接觸之富水段，以及誘發(fā)突水涌泥、塌方、軟巖大變形等地質災害風險較大的區(qū)段。中等風險段為一般斷層和節(jié)理密集帶，巖溶中等發(fā)育，以及誘發(fā)突水涌泥、塌方、軟巖變形等地質災害風險中等的區(qū)段。一般風險段為非可溶巖和可溶巖弱發(fā)育段，節(jié)理一般發(fā)育，引發(fā)地質災害的風險較小。隧道綜合超前地質預報工作流程如圖1所示。

圖1　高黎貢山隧道綜合超前地質預報工作流程

4　工程應用

高黎貢山隧道1#斜井(副井)XJFK2+720—XJFK2+570段圍巖主要為板巖、粉砂巖夾灰?guī)r、泥灰?guī)r，因有觀音山-礦洞斷層經(jīng)過，巖體較破碎，地下水較發(fā)育，發(fā)生涌水突泥、塌方、變形的風險較高。宜采用高等級風險的預報工作流程。

4.1　地質調查法

通過對XJFK2+720—XJFK2+661掌子面的觀察與探測，判定該段圍巖主要為灰色板巖，巖體弱～強風化，整體較破碎、局部破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，且掌子面滲水。

4.2　物探法

1)TSP探測分析

采用TSP303plus對XJFK2+705處進行探測分析。在隧道左右邊墻距掌子面53.1 m處設置接收孔2個，孔深分別為1.7，1.8 m。炮孔24個，炮孔間距1.5 m，孔深在1.6～2.0 m。經(jīng)專用軟件處理，得到探測成果，見圖2。

圖2　探測成果

由圖2可知：XJFK2+705—XJFK2+682段(23 m)縱波及橫波波速較低，該段為強風化灰色板巖，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水表現(xiàn)為滲水，在XJFK2+686—XJFK2+682段可能存在軟弱夾層。在XJFK2+682—XJFK2+674段(8 m)縱波及橫波波速均增大，縱波的增幅大于橫波，VP/VS及泊松比均增大不少，該段可能為含水破碎帶。在XJFK2+674—XJFK2+654段(20 m)隨著縱橫波間隔性地增大或減小，VP/VS及泊松比亦間隔性地增大或減小，推測該段節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎～破碎，地下水發(fā)育，可能存在含水破碎帶。在XJFK2+654—XJFK2+634段(20 m)縱橫波的波速略微減小，巖體密度亦減小，推測該段節(jié)理裂隙一般發(fā)育，但圍巖完整性要好于前幾段，其中XJFK2+636—XJFK2+634段縱波波速、泊松比、密度均降幅較大，而橫波波速呈明顯上升趨勢，推測該段巖層可能含水。XJFK2+632—XJFK2+595段(37 m)縱橫波的波速、VP/VS及泊松比均減小，推測該段圍巖完整性較上一段差。

2)瞬變電磁探測

采用加拿大GEONICS公司生產(chǎn)的TEM-47(增強型)瞬變電磁儀對斜井XJFK2+718處進行探測，探測距離90 m。視電阻率剖面見圖3。可知：XJFK2+718—XJFK2+688段(30 m)視電阻率值相對較高，說明該段巖體完整性相對較好，地下水不發(fā)育；XJFK2+688—XJFK2+628段(60 m)段視電阻率值較低，說明節(jié)理裂隙發(fā)育，可能存在較大范圍的破碎含水帶，地下水富集。

圖3　斜井XJFK2+718處視電阻率剖面

圖4　斜井XJFK2+693處地質雷達探測結果

3)地質雷達探測

為了對TSP303及瞬變電磁法的探測結果進一步確認，再次采用地質雷達近距離對不良地質體進行探測分析。采用美國勞雷SIR4000對斜井XJFK2+693處進行探測分析。探測結果見圖4?？芍菏軘鄬訕嬙煊绊?，距掌子面3～9 m巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育；9～18 m巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，可能存在含水破碎帶。

4.3　鉆探法

1)超前水平鉆探法

在隧道開挖至XJFK2+695處時，施作超前鉆孔3個，以此來驗證物探法探測結果的準確性。各孔深35 m。鉆孔布置見圖5。

圖5　鉆孔布置(單位：m)

1#孔巖芯為灰色板巖。0～6 m鉆速約0.147 m/min，輕微卡鉆，鉆孔沖洗液呈灰白色，圍巖完整性一般，節(jié)理較發(fā)育，滲水。6～15 m鉆速約0.143 m/min，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，滲水。15～35 m鉆速約0.122 m/min，巖體破碎～較破碎，節(jié)理較發(fā)育。終孔出水量約4.2 m3/h。

2#孔巖芯為灰色板巖。0～11 m鉆速約0.130 m/min，鉆孔沖洗液呈灰白色，圍巖完整性較差，節(jié)理較發(fā)育，滲水。11～27 m鉆速約0.133 m/min，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，滲水。27～35 m鉆速約0.118 m/min，巖體破碎～較破碎，節(jié)理較發(fā)育。終孔出水量5.1 m3/h。

3#孔巖芯為灰色板巖。0～7 m鉆速約0.164 m/min，輕微卡鉆，圍巖完整性一般，節(jié)理較發(fā)育，滲水。7～23 m 鉆速約0.133 m/min，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，滲水。23～35 m鉆速約0.125 m/min，巖體破碎～較破碎，節(jié)理較發(fā)育。終孔出水量4.8 m3/h。

綜合分析孔內圖像、鉆速和芯樣，判定XJFK2+695—XJFK2+660段圍巖為較破碎～破碎，薄層～中厚層灰色板巖，層間結合性較差，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，有方解石充填，地下水發(fā)育。

2)加深炮孔法

在XJFK2+720—XJFK2+661段施作加深炮孔，上臺階3個、下臺階2個。該段圍巖主要為灰色板巖，鉆孔沖洗液呈灰色，鉆速較快，巖體總體較破碎、局部破碎，且孔內滲水，地下水發(fā)育。

4.4　綜合成果分析

運用3類地質預報法對1#斜井(副井)XJFK2+693—XJFK2+663段進行探測。

綜合分析地質調查法、物探法、鉆探法3類預報方法的探測結果得出：①XJFK2+693—XJFK2+663段巖性為灰色板巖，巖體弱～強風化，較破碎～破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育～發(fā)育；②XJFK2+682附近存在富水破碎帶，圍巖級別為Ⅴ級；③掌子面前方破碎帶較長，且局部段落地下水較為富集。施工過程中，應提前做好圍巖支護及減排水工作。

5　結論

1)選擇以地質調查分析為主，中長距離與短距離相結合的物探法為輔，以超前鉆探進行驗證的綜合超前地質預報體系，并依據(jù)風險等級，構建了各級風險下的地質預報工作流程。通過在1#斜井(副井)高風險段實施驗證，取得了較好的預報效果。

2)綜合地質預報技術不僅探明了1#斜井(副井)XJFK2+693—XJFK2+663段圍巖的巖性特征，而且查明了掌子面前方其他不良地質體的類型、規(guī)模和位置，為隧道的圍巖超前支護、后期減排水等工作提供了依據(jù)。

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