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        綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在池黃高鐵三姑尖三號(hào)隧道中的應(yīng)用

        2021-11-16 07:31:24薛明英
        國防交通工程與技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)化層炭質(zhì)掌子面

        薛明英

        (中交路橋華北工程有限公司,北京 101113)

        由于設(shè)計(jì)提供地質(zhì)勘察資料準(zhǔn)確性有限,隧道地質(zhì)條件具有復(fù)雜性,多變性,隧道開挖后揭露的巖性常與圖紙不符,經(jīng)常遇到溶巖區(qū)、軟弱破碎帶、節(jié)理裂隙、斷層、巖爆、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害,給施工帶來困難。目前尚無一種能解決所有地質(zhì)問題的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方法,因此在施工過程中需組合運(yùn)用不同的地質(zhì)預(yù)測、物理探測、鉆孔探測等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施,綜合分析各種預(yù)報(bào)資料,互相補(bǔ)充印證,對(duì)開挖掌子面前方圍巖狀況及不良地質(zhì)做出精確預(yù)報(bào),及時(shí)變更開挖方式及支護(hù)參數(shù),調(diào)整施工方案,從而提高工效、縮短施工周期,避免災(zāi)害的發(fā)生或減輕災(zāi)害造成的損失,確保安全施工及環(huán)境生態(tài)保護(hù)。三姑尖三號(hào)隧道采用綜合預(yù)報(bào)目的是為尋求最佳的預(yù)報(bào)組合方式,為后續(xù)其他隧道施工提供參考。

        1 工程概況

        池黃高鐵三姑尖三號(hào)隧道全長924.9 m,樁號(hào)里程DK116+357(進(jìn)洞)-DK115+432,目前掌子面里程DK116+231,已進(jìn)尺126 m。根據(jù)鉆探揭露,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料對(duì)比分析,按其成因和時(shí)代主要有:表層為第四系全更新統(tǒng)殘坡積土,下伏基巖主要為寒武系下統(tǒng)荷塘組炭質(zhì)泥巖和震旦系皮園村組硅巖;基巖區(qū),深部巖層為弱風(fēng)化,鉆探未揭露。

        2 綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

        2.1 掌子面超前水平鉆孔

        在掌子面設(shè)計(jì)超前鉆孔2孔,每孔設(shè)計(jì)深30 m,鉆孔偏角0°,豎直角0°,目的是查清前方巖體破碎程度及富水情況。本隧道共進(jìn)行了三次掌子面超前水平鉆孔探測,里程范圍分別為DK116+296-DK116+266、DK116+273-DK116+243和DK116+249-DK116+219,探測成果為:①DK116+296-DK116+266段、DK116+273-DK116+243段0~30 m范圍內(nèi)為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖,地下水弱發(fā)育,局部有滴、滲水。②DK116+249-DK116+219段0~30 m范圍內(nèi)為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖,地下水弱發(fā)育。綜合解釋結(jié)論:節(jié)理裂隙較發(fā)育~弱發(fā)育,巖體較完整,地下水弱發(fā)育。

        2.2 TSP探測

        TSP探測選擇掌子里程DK116+284,探測范圍120 m。2D和3D物理力學(xué)參數(shù)圖及反射面解譯圖見圖1。根據(jù)TSP探測得出以下解釋成果:

        圖1 2D和3D物理力學(xué)參數(shù)及反射面解譯圖

        (1)DK116+284-DK116+262段圍巖,長22 m,該段圍巖波速Vp2 118~2 431 m/s,Vs1 380~1 676 m/s;泊松比為0.21~0.26;靜態(tài)楊氏模量1.4~2.2 GPa。該段縱波、橫波速度值、泊松比、密度和靜態(tài)楊氏模量值較為穩(wěn)定,存在個(gè)別明顯反射界面。

        (2)DK116+262-DK116+246段圍巖,長16 m,該段圍巖波速Vp2 224~2 663 m/s,Vs1 331~1 446 m/s;泊松比為0.25~0.30;靜態(tài)楊氏模量2.0~2.6 GPa。該段縱波、橫波速度值較前值整體上升,并且泊松比、密度及靜態(tài)楊氏模量等力學(xué)參數(shù)較前值整體稍微增高,且反射界面相對(duì)較少,如圖1所示。

        (3)DK116+246-DK116+164段圍巖,長82 m,該段圍巖波速Vp2 408~2 513 m/s,Vs1 419~1 434 m/s;泊松比為0.23~0.26;靜態(tài)楊氏模量2.2~2.5 GPa。該段縱波、橫波速度值較前值整體抬升,泊松比、密度及靜態(tài)楊氏模量等力學(xué)參數(shù)也整體升高,反射界面相對(duì)較少。

        具體預(yù)報(bào)成果為:①DK116+284-DK116+262段圍巖完整性較當(dāng)前掌子面情況基本一致,巖體較破碎,節(jié)理裂隙較發(fā)育,地下水弱發(fā)育。②DK116+262-DK116+246段圍巖完整性情況較前段圍巖情況稍微變好,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎~較完整,地下水弱發(fā)育。③DK116+246-DK116+164段圍巖情況稍微更好,節(jié)理裂隙較發(fā)育~弱發(fā)育,巖體較完整,地下水弱發(fā)育。綜合解釋結(jié)論:節(jié)理裂隙較發(fā)育~弱發(fā)育,巖體較完整,地下水弱發(fā)育。

        2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測

        地質(zhì)雷達(dá)探測探測自DK116+334開始,每次探測范圍30 m,相鄰兩次搭接5 m,以掌子里程DK116+279.4為例進(jìn)行展示,測線布置如圖2所示。

        圖2 地質(zhì)雷達(dá)測線布置圖

        如圖3所示,DK116+279.4-DK116+249.4段波形較為雜亂,反射波同相軸總體較錯(cuò)斷,探測成果為:推測該段圍巖為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎,圍巖穩(wěn)定性一般,地下水弱發(fā)育,拱頂易掉塊。綜合解釋結(jié)論:地下水弱發(fā)育,巖體較破碎。

        圖3 測線1和測線2地質(zhì)雷達(dá)探測成果

        2.4 高密度電阻法

        物探范圍:三姑尖3號(hào)隧道出口段DK116+307.6、DK116+297.6、DK116+287.6、DK116+277.6位置。共布置4條測線,測線總長度1 050 m。高密度電阻法測線詳細(xì)情況如表1所示。實(shí)地位置利用1∶500 地形圖,采用RTK定位。

        表1 三姑尖 3 號(hào)隧道出口段物探(高密度電阻率法)測線布置

        勘探深度滿足洞身范圍,本次物探工作的主要任務(wù)為:查明測區(qū)巖土分界、基巖風(fēng)化分界的分布及展布情況,重點(diǎn)查明巖體完整性、覆蓋層變化情況、巖體富水情況,從而為鉆探成果的內(nèi)插、外推和現(xiàn)場施工提供依據(jù)[1]。以DK116+307.6剖面L1-L1′高密度電阻率法物探解譯圖(如圖4所示)為例,說明4條測線得出結(jié)果:

        圖4 高密度電阻法物探解譯圖

        反演電阻率剖面圖 L1-L1′顯示,DK116+307.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖,隧道頂板以上全風(fēng)化層約 7.2 m,強(qiáng)風(fēng)化層約 10.6 m,弱風(fēng)化層約 12.4 m。

        反演電阻率剖面圖 L2-L2′顯示,DK116+297.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖,隧道頂板以上全風(fēng)化層約 9.6 m,強(qiáng)風(fēng)化層約 7.9 m,弱風(fēng)化層約 13.6 m。

        反演電阻率剖面圖 L3-L3′顯示,DK116+287.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖,隧道頂板以上全風(fēng)化層約 7.2 m,強(qiáng)風(fēng)化層約 10.2 m,弱風(fēng)化層約 21.7 m。

        反演電阻率剖面圖 L4-L4′顯示,DK116+277.6隧道洞身范圍巖性主要為弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖,隧道頂板以上全風(fēng)化層約 6.6 m,強(qiáng)風(fēng)化層約 16.1 m,弱風(fēng)化層約 23.0 m。

        綜合解釋結(jié)論:地下水弱發(fā)育,巖體較破碎。

        2.5 加深炮孔法

        掌子面加深炮孔位置為上臺(tái)階左拱頂、右拱頂、中心距離拱頂2.5 m處,炮孔長度6 m。表2為DK116+240-DK116+234段加深炮孔現(xiàn)場記錄,記錄此斷面鉆進(jìn)均勻,無卡鉆,無水,鉆渣為黑色巖粉,母巖為炭質(zhì)泥巖[2-3]。

        表2 DK116+240掌子面加深炮孔記錄

        2.6 掌子面地質(zhì)素描

        每隔3 m進(jìn)行一次掌子面地質(zhì)素描,掌子面DK116+237位于其他各項(xiàng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)重疊樁號(hào),且為目前最新開挖面,對(duì)前項(xiàng)各類超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果可進(jìn)行驗(yàn)證。圍巖為寒武系炭質(zhì)泥巖,灰黑色,弱風(fēng)化,原巖結(jié)構(gòu)未破壞,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,圍巖整體性較好,掌子面圍巖整體濕潤。

        原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)此樁號(hào)斷面地質(zhì)描述為:危巖,落石高發(fā)區(qū)。巖性為炭質(zhì)泥巖,巖體破碎,局部分部有硅質(zhì)巖,巖質(zhì)硬,巖體穩(wěn)定性差,強(qiáng)富水性,支護(hù)類型為Va,三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法,I型超前小導(dǎo)管。對(duì)比發(fā)現(xiàn)地質(zhì)素描與原設(shè)計(jì)出入較大。

        綜合解釋結(jié)論:無原圖紙描述強(qiáng)富水地段,圍巖整體性較好,DK116+237-DK116+207段圍巖由V級(jí)變更為IV級(jí)。

        3 預(yù)報(bào)成果對(duì)比應(yīng)用

        可綜合分析既定設(shè)計(jì)的長距離、中長距離、短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組合的探測結(jié)果,可以較真實(shí)的認(rèn)識(shí)隧道開挖后掌子面的圍巖等級(jí)。2021年01月08日,經(jīng)業(yè)主及設(shè)計(jì)院等相關(guān)單位對(duì)三姑尖三號(hào)隧道DK116+237段掌子面進(jìn)行現(xiàn)場踏勘,判定洞身圍巖巖體完整,地下水弱發(fā)育,掌子面直立性好。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示前方30 m與掌子面基本一致。據(jù)此對(duì)比原設(shè)計(jì),DK116+237-DK116+207段圍巖等級(jí)由V級(jí)變更為IV級(jí),開挖工法由三臺(tái)階法調(diào)整為全斷面法,取消II類超前小導(dǎo)管,節(jié)約了投資和工期。

        4 結(jié)束語

        由于現(xiàn)階段國內(nèi)外超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)有限,目前尚無一種能夠解決所有地質(zhì)預(yù)報(bào)問題的方法,同時(shí)預(yù)報(bào)環(huán)境受到的干擾因素太多,各種物探對(duì)環(huán)境的要求也不同,因此面對(duì)復(fù)雜多變的地質(zhì)區(qū)域,隧道開挖需采用多種不同的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法,對(duì)測得的資料進(jìn)行綜合分析,互相補(bǔ)充印證,以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

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