謝 磊

(中鐵十五局集團有限公司，上海 200070)

1 隧道風險概況

隧道尤其是高風險隧道超前地質預報對安全施工、設計優(yōu)化等具有重要意義[1-2]。成(都)貴(陽)客運專線設計行車速度250 km/h，大方隧道起訖里程D1K392+250～D3K399+380，全長7 130 m，為雙線隧道，隧道最大埋深210 m。隧道通過地區(qū)屬低山峰叢洼地及溶蝕丘陵地貌，穿越山體高程為1 520～1 734 m，進出口相對高差為10 m左右，山頂峰叢，山丘相對高差30～80 m，溶蝕溝槽、溶蝕洼地、漏斗發(fā)育。隧道穿越山體除少部分砂巖、泥巖地層植被較發(fā)育外，大部分灰?guī)r裸露，有零星灌木植被。隧道洞身段襯砌均按新奧法原理設計，初期支護采用噴、錨、網、鋼拱架(格柵)支護，二次襯砌采用復合式襯砌。

隧道地質復雜，設計風險評估為極高風險隧道，隧道通過的地層及巖性有第四系全新統(tǒng)人工填筑(Q4ml)碎石土、坡殘積(Q4dl+el)黏土，斷層破碎帶(Fr)壓碎巖及角礫巖，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)泥巖、泥質粉砂巖，頁巖夾煤層，二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r、白云質灰?guī)r、燧石灰?guī)r。隧道存在涌水、突泥的風險，為本工程的最大重難點。隧道正常涌水量Q=64800 m3/d，雨季集中降雨最大涌水量Qmax=129600 m3/d。根據其地質情況推測的涌水、突泥段落見表1。

表1 推測隧道洞身涌水、突泥段落

2 施工臨報方案

2.1 掌子面地質素描

掌子面地質素描應在隧道作業(yè)每一開挖循環(huán)后立即進行，根據掌子面暴露巖層的層理、節(jié)理、裂隙結構狀況，巖體軟硬程度，出水量大小判斷開挖前方地質情況。素描記錄內容主要包括工程地質、水文地質等方面。應注意采用錄像或照片等手段，記錄以下重點內容：

(1)地質狀況及其分布、性質和掌子面自穩(wěn)性。

(2)圍巖的軟硬、裂隙間距及方向等圍巖狀態(tài)。

(3)斷層的分布、走向、黏土化程度等。

(4)出水地點、涌水量及其狀態(tài)。

(5)軟弱層的分布。

2.2 TSP203超前地質預報系統(tǒng)

通過小藥量爆破所產生的地震波信號沿隧道方向以球面波的形式傳播，在不同巖層中地震波以不同的速度傳播，在其界面處被反射(圖1)，并被高精度的接收器接受，獲得反映隧道工作面前方的P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數、各反射層能量大小等成果，以及反射層在探測范圍內的二維或三維空間分布。通過計算機軟件分析前方圍巖性質、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等，最終顯示屏上顯示各種圍巖結構面與隧道軸線相交所呈現的角度及距掌子面的距離，并可初步測定巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數以供參考。但儀器在作業(yè)過程中對環(huán)境的要求較高，若噪聲過大則會影響采集數據的準確性。

圖1 TSP原理示意

TSP203超前地質預報系統(tǒng)洞內布置的接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的邊墻上，一般情況下，它是由兩個接收器孔和24個爆坡孔組成。接收器距掌子面約55 m，在隧道兩側對稱布置，最后一個爆破孔距掌子面約0.5 m。爆破孔間距1.5 m，孔深1.5 m，孔徑35～38 mm，孔口距隧底約1.0 m，向下傾斜10～20 °，接收器與第一個爆破孔間距20 m，接收器孔深2.0 m，孔徑43～45 mm，孔口距隧底1.0 m，向下傾斜5～10 °。埋設傳感器前，先清孔，清除孔底虛碴，放入環(huán)氧樹脂藥卷，插入傳感器套桿并鉆動，保證環(huán)氧樹脂藥卷充分攪拌。待傳感器桿固定后，插入傳感器，注意傳感器方向朝向掌子面。測量時間選在施工交接班時間，要求工作面800 m范圍內不得有機械作業(yè)和作業(yè)人員作業(yè)，作業(yè)前與現場施工員聯系，以確定停工時間，此時準備好爆破藥卷、電雷管等。由最里邊炮孔開始，逐個依次裝藥聯線，起爆器起爆，裝藥量根據圍巖情況，一般控制在10～40 g。

通過TSP超前地質預報，能夠及時地了解掌子面前方的地質情況，為隧道施工和及時合理地調整支護參數提供依據，有效地控制了地質災害的發(fā)生，確保支撐隧道的巖石牢固可靠和施工質量，改善工地的安全，贏得了施工時間，降低成本，提高隧道掘進的進度，將風險降低到最小。

2.3 紅外線探水法

采用 HY-303 型防爆紅外線探測儀探測隧道隱伏含水構造，利用不同物體輻射場場強差異，對隧道前方的隱伏含水構造進行跟蹤探測。即采用紅外測溫儀跟蹤測量隧道開挖面的巖石溫度，連續(xù)地獲取巖石的溫度信息，從溫度異常點判斷含水構造。HY-303防爆紅外線探測儀可了解掘進前方10～30 m范圍內是否存在含水斷層和溶洞、是否存在含水破碎帶。每作一次防水超前探測預報需15 min。向隧道上方探測掘進時未見到的含水構造。

向隧道下方探測了解底板下方是否存在空洞、是否存在含水巖溶構造、承壓水是否以潛在形勢向上運移。向兩壁外側探測了解兩壁外側是否存在隱伏水體、是否存在與隧道走向成小角度斜交的斷層、是否存在溶洞。在隧道施工通過巖溶、巖溶水、斷層破碎帶可能發(fā)生涌水地段每開挖15～30 m，對開挖面前方施作一紅外線探測技術，對地下水進行預報。

根據經驗，一般是利用掌子面上探測數據兩點間最大讀數差值，參考背景趨勢曲線，來判斷前方含水可能性。考慮到由于標準方差是刻劃隨機變量在其中心位置散布程度的數字特征，其反映了偏離均值的偏離量。結合溫度場模擬計算和資料分析，根據實地多次探測數據，分別計算其兩點間最大讀數差值和以下標準方差，在詳細分析和統(tǒng)計實際觀測出水資料的基礎上，選取紅外線探測含水安全值判別標準。

2.4 水平超前鉆孔

鉆探法是最直觀、可靠的超前預報手段，對來自物探或其他方法認為重點懷疑地段，采用鉆孔探測，通過對鉆孔取巖芯，并利用巖芯作式樣進行試驗的分析，鉆空鉆速測試根據鉆機在巖石中的鉆進速度和巖石特性之間的關系來判斷地層變化、巖性差異、地層含水量等信息。施工中，對于已出水的超前鉆孔，要進行不間斷的水流量、水壓的監(jiān)測，繪制水量、水壓的變化曲線，為制定地下水處理方案提供依據。

鉆孔一般布置在施工面布置2～3個超前鉆孔，位置位于斷面上半部中間。鉆孔平行于隧洞軸線。當隧洞某一側地質條件十分惡劣或有預灌漿要求時，鉆孔方位可以有適當偏角。按物探方法預報提供的不良地質里程位置，在距不良地質10～30 m處，停止開挖，在開挖面進行鉆孔，鉆孔直徑φ76 mm，鉆孔長度為穿過不良地質，必要時并取芯，巖芯鉆探的巖芯采取率，對完整和較完整巖體不應低于80 %，較破碎和破碎巖體不應低于65 %，鉆進深度一般為30 m；對需重點查明的部位(滑動帶、軟弱夾層等)應采用雙層巖芯管連續(xù)取芯。鉆孔終孔點須在隧道開挖輪廓線外不大于5～7 m。其鉆孔方向，其鉆孔的水平角、傾角以及鉆孔在開挖面上的位置須按平面、剖面坐標進行計算，并按設計推算可能見不良地質點位置(圖2)。

圖2 超前水平鉆布置示意

3 施工臨報技術要求

(1) 地質素描，隨開挖進行，一般地段10～20 m素描一次，復雜地段每循環(huán)進行一次，包括掌子面、左右邊墻、拱頂及隧底。

(2) TSP每次預報有效長度A級地段100 m左右，B、C級地段150 m左右，需連續(xù)預報時前后兩次應重疊10 m以上。

(3) 紅外探測每次預報有效探測距離約為30 m，連續(xù)預報時前后兩次重疊長度應大于5 m。

(4) 超前水平鉆孔，需要時施做，一般每循環(huán)10～30 m；斷層、節(jié)理密集帶或其它破碎富水地層每循環(huán)可只鉆1孔；巖溶發(fā)育區(qū)每循環(huán)3～5個孔，當鉆到溶洞時可適當增加鉆孔，以滿足溶洞處理所需資料為原則，鉆孔應終孔于隧道開挖輪廓線以外5～10 m，孔口按計算應安設一定長度的孔口管；連續(xù)預報時前后兩循環(huán)鉆孔應重疊5～8 m。

4 結論

(1)成貴鐵路大方隧道為高風險隧道，其主要風險形式為巖溶區(qū)段涌水、突泥，應對其開展施工臨報。

(2)涌水突泥施工臨報應采用掌子面素描、TSP、紅外找水及超前水平鉆相結合的綜合預報方法。

(3)各方法的預報長度是關鍵控制因素，地質素描一般地段10～20 m,復雜地段每循環(huán)素描一次；TSP的預報長為100～150 m；紅外找水為30 m;超前水平鉆為10～30 m。