段 錚

(中國鐵路設計集團有限公司 天津 300308)

1 引言

我國地形條件復雜，鐵路、公路等工程的建設中多以隧道工程越嶺。不良地質條件如斷層破碎帶的存在，會大大增加隧道施工難度，增大隧道建設成本。如果防治措施不當，還會引發(fā)塌方、涌水突泥等災害，造成較大的經(jīng)濟損失或人員傷亡。為了準確地提供斷層特殊地質信息，降低隧道開挖風險，超前地質預報工作是十分重要的。

目前的超前地質預報方法的應用已經(jīng)趨于成熟，但是，由于物探方法存在多解性、不同物探方法的適用性以及測試數(shù)據(jù)解譯時由于經(jīng)驗造成的主觀差異性等原因，單一方法預報結果的準確性往往受到一定的限制[1]。目前，越來越多的學者通過利用不同超前地質預報方法對復雜地質條件進行綜合預報，以期提高預報準確率。何山等[2]利用TSP、探地雷達與紅外探水相結合的綜合地質預報對育王嶺隧道進行了預報；王洪勇[3]于圓梁山采用了包括TSP202、紅外探測、探地雷達等多種方法相互印證的綜合地質預報，得到了較為準確的預報結果。然而，隧道斷層破碎帶的探測是較為復雜的，斷層破碎帶存在范圍的不確定性、充填介質的復雜性等對超前地質預報的準確性提出了較高的要求，所以需要結合多種方法建立綜合超前地質預報體系。

在隧道施工過程中，有的隧道盡管探明了斷層破碎帶的存在，但依然出現(xiàn)了較大的塌方災害。因此，在斷層破碎帶的施工過程中，對于塌方災害的防治非常重要。王臣生[4]通過分析地質條件與開挖情況，對張家園隧道穿越斷層破碎帶的開挖支護技術展開了研究；柴玉梅等[5]對隧洞穿越斷層破碎帶的塌方處理與支護技術進行了研究，對塌方災害的防治都達到了一定的效果。但是目前對于斷層破碎帶塌方災害的防治措施，相關規(guī)定仍然較為缺乏，處理措施不盡相同，因此有必要進行斷層破碎帶塌方災害防治技術的研究。

為了能夠更準確地實現(xiàn)對于斷層破碎帶的預報，提出行之有效的塌方防治技術措施，本文以西南山區(qū)某隧道為依托，對建立準確性較高的斷層破碎帶綜合超前地質預報體系與有效的斷層破碎帶塌方災害的防治技術開展研究。

2 綜合超前地質預報體系研究

2.1 常規(guī)超前地質預報方法

目前，常規(guī)隧道超前地質預報方法，主要有地質分析法、地震波反射法[6]、探地雷達法[7]及超前鉆探法[8]等，各方法的優(yōu)缺點、適用條件及預報長度的對比[9]，如表1所示。

表1 常規(guī)超前地質預報方法對比

2.2 隧道綜合超前地質預報體系的建立

隧道綜合超前地質預報應以“地質分析為核心，綜合物探與地質分析結合，長短預測結合，物性參數(shù)互補”為原則[10]。由表1可知，探地雷達法、地震波反射法對于破碎巖體的探測具有較好的適用性，因此，建立以“以地質分析為基礎，地震波反射法與探地雷達法相結合并利用超前鉆探進行驗證”的隧道斷層破碎帶超前地質預報體系。該方法在實現(xiàn)長、短距離預報相結合的同時，也在探測的圍巖物性參數(shù)方面(波阻抗、介電常數(shù)等)實現(xiàn)了良好的互補配合。

地震波反射法在進行破碎帶預報時，判斷的依據(jù)通常為所得到的巖石物性參數(shù)往往具有Vp下降、泊松比增大等特點；探地雷達在預報時，判斷的依據(jù)通常為雷達圖像具有離散化的特點、有強振幅反射波的出現(xiàn)。預報體系及流程如圖1所示。

圖1 綜合超前地質預報流程

3 斷層破碎帶的綜合超前地質預報實例

3.1 依托工程概況

西南山區(qū)某隧道全長2 160 m，最大埋深約578 m。隧址區(qū)為中高山深切割構造侵蝕地貌。隧道所穿越地層主要為地表覆蓋層、晚元古界(Pt2)晉寧期侵入的巖漿巖。隧址區(qū)位于兩條活動斷裂交匯部位，斷裂帶活動性強、對工程場地影響較大。

根據(jù)前期現(xiàn)場地質調(diào)查測繪表明，隧址區(qū)內(nèi)有一條穿過隧道的斷裂隱伏斷層，斷層破碎帶可能對隧道圍巖完整性產(chǎn)生影響，圍巖強度低，開挖中容易出現(xiàn)掉塊、塌方等災害。但斷層的具體位置、發(fā)育特征以及與隧道的相交關系等不明。

3.2 隧道斷層帶綜合超前地質預報

為了配合隧道施工，準確探測斷層所在位置以及發(fā)育特征，采用本文所建立的綜合超前地質預報體系進行探測。首先采用地震波反射法進行長距離地質預報，當?shù)刭|條件較好時，探測范圍為100～120 m，搭接20 m；當?shù)刭|條件較差時，探測范圍一般為80～100 m，搭接20 m。當接近地震波反射法探測到的不良地質段時，采用短距離的探地雷達法進行精確預報，預報距離為15～20 m，搭接5 m，并根據(jù)結果采用超前鉆探進行確認。

3.2.1 地震波反射法探測

檢測中采用觀測多波多分量的多道地震波反射法。當隧道開挖接近前期勘探確定的斷層破碎帶影響范圍時，通過長距離的地震波反射法探測發(fā)現(xiàn)異常段落。分析后得到的掌子面前方圍巖物性情況，如圖2所示。

圖2 地震波反射法檢測結果

探測結果顯示，在距離掌子面70～90 m范圍內(nèi)，橫波波速與縱波波速均有所降低，泊松比增大，推測該段內(nèi)圍巖裂隙增加，破碎程度較高，巖體較軟弱。

3.2.2 探地雷達法探測

為了對地震波反射法中發(fā)現(xiàn)的不良地質段進行精確預報，在距不良地質段5 m的掌子面，利用SIR3000型探地雷達搭配100 MHz天線進行探測。探測結果如圖3所示(縱向為探測深度，單位:m)。

圖3 探地雷達解譯成果圖(部分)

從探地雷達解譯結果可以看出，在距掌子面前方11～20 m的范圍內(nèi)，整體反射較強，存在數(shù)個強反射界面，其中以距掌子面11～16 m范圍內(nèi)反射帶最為強烈，雷達波形部分段落內(nèi)存在同相軸不連續(xù)的情況，具有一定的離散性。因此，推斷在距掌子面11～20 m的范圍內(nèi)，圍巖破碎程度較高，圍巖較軟弱，疑有斷層破碎帶存在。

3.2.3 超前鉆探法探測

于同一位置采用超前鉆探的方法對物探結果展開進一步的驗證。在掌子面處對稱布置兩個鉆孔，鉆孔距離地面1.5 m，距離最近側邊墻3.7 m。鉆進開始時，鉆速較快，鉆速均勻，不卡鉆，巖體較為破碎，無水。當鉆進至探地雷達預報的強反射帶時，鉆速不均勻，有鉆機卡鉆、跳動劇烈的情況出現(xiàn)，巖體破碎程度較高，無水。

3.3 綜合超前地質預報探測結果分析

綜合超前地質預報的結果表明，掌子面前方圍巖為裂隙增加的強破碎段落且有強反射界面存在，推斷為勘察報告中描述的斷層破碎帶位置。

在后續(xù)開挖過程中，在探測到的不良地質段內(nèi)揭露一條斜向的斷層破碎帶。整體來看，中間為一條斷層泥，泥化帶與斷層上盤破碎巖體的接觸面有明顯的剪切滑動跡象，表面光滑。掌子面斷層帶照片如圖4所示。

圖4 掌子面斷層帶照片

本文中所建立的綜合超前地質預報體系的預報結果和實際開挖情況吻合程度較好，預報結果的準確度較高。

3.4 隧道斷層帶施工風險評價

根據(jù)掌子面開挖結果和地質素描可知，斷層上盤主要為灰綠色的強風化花崗巖、閃長花崗巖，在強烈的地質構造作用下巖體極為破碎，較軟；斷層下盤主要為強風化花崗巖和長石石英巖，巖體破碎，易裂解，強度較低；中間的斷層泥化帶巖體極為破碎，泥化嚴重，斷層面產(chǎn)狀為250°∠54°。判定該處圍巖等級為Ⅴ級，掌子面開挖后在重力作用下發(fā)生塌方災害的可能性較大，施工風險極大，因此非常有必要采取針對性的塌方防治措施。

4 隧道斷層破碎帶塌方風險防治技術措施

對于隧道斷層破碎帶，采用針對性的防治技術措施，可以有效降低發(fā)生塌方災害的可能性及帶來的損失。

通過參考類似工程的塌方災害防治技術措施[11-14]與《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》[15]、《公路隧道施工技術規(guī)范》[16]、《高速鐵路隧道工程施工技術規(guī)程》[17]、《鐵路隧道設計規(guī)范》[18]等規(guī)范，結合該隧道實際情況，建議從“縮短進尺、加強超前支護與襯砌、增加監(jiān)控量測頻次”等角度采取以下的防治技術及措施。

(1)拱部采用密排注漿小導管的超前支護手段，有效控制拱頂坍塌。

(2)采用三臺階工法開挖，縮小單次鉆爆進尺長度，單次進尺建議不大于一榀鋼架間距，控制炸藥用量，防止破碎巖體受到震動發(fā)生大面積塌方。

(3)初噴后及時架設鋼支撐，并縮短鋼架間距，及時施作初期支護。

(4)由于斷層帶巖石松散破碎，初期支護完成后可能存在局部背后脫空現(xiàn)象，因此需加強檢測并采用回填或注漿等方式填補空洞和封堵裂隙。

(5)及時施作仰拱封閉，二次襯砌采用鋼筋混凝土。

(6)加密監(jiān)控量測斷面布置，增加量測頻次，根據(jù)量測結果及時調(diào)整支護措施。

在綜合采用上述技術措施后，隧道安全通過該斷層破碎帶，因此，上述防治措施對塌方災害的防治起到了良好的預防效果。

5 結論

(1)從長、短距離預報相結合的角度，建立了“以地質分析為基礎，地震波反射法與探地雷達法相結合并利用超前鉆探進行驗證”的斷層破碎帶綜合超前地質預報體系及方法流程。

(2)采用建立的綜合超前地質預報體系對依托工程隧道斷層破碎帶進行了預報。根據(jù)地震波反射法圍巖Vp下降的特點推測掌子面前方存在有破碎帶；利用探地雷達法探測到的雷達圖像中出現(xiàn)的數(shù)個強反射界面與離散化的特點推測掌子面前方存在有斷層破碎帶；最后通過超前鉆探進行確認。開挖結果驗證了本體系對斷層破碎帶預報的準確性。

(3)結合國內(nèi)類似工程經(jīng)驗與相關規(guī)范，從“縮短進尺、加強超前支護與襯砌、增加監(jiān)控量測頻次”等角度提出了相應的塌方防治技術措施，保障了依托工程隧道施工安全。