叱干強

（中鐵二十二局集團市政工程有限公司，廣州 510800）

1 引言

工程項目在勘察設計階段，受勘察地理條件限制及勘察技術條件的制約，地質勘察的結果常常與施工開挖揭示的地質條件存在一定出入，從而使得施工方法、支護措施、施工成本、施工工期都受到影響，特別是復雜多變、不良地質段落，不當的施工方法可能造成地質災害及安全事故。因此，在隧道施工中，采用科學合理、技術可行的超前地質預報技術，對隧道掌子面前方地質情況進行準確的預報尤為重要，從而對施工方法起到一定的指導作用，對施工安全提供有力保障[1]。

在玉磨鐵路南聯山隧道施工中，采用不同的超前地質預報方法，結合應用、相互印證、對各不良地質段落進行了成功的預報，為施工提供了可靠的依據。本文主要結合南聯山隧道施工中不同的超前地質預報方法的結合運用技術做分析總結。

2 工程及地質概況

南聯山隧道全長9 850 m，除出口段690 m為雙線隧道，其余段落為單線隧道。隧址區(qū)屬中低山地貌，上覆第四系全新統滑坡堆積（Q4del）粉質黏土，坡洪積（Q4dl+pl）淤泥質土，粉質黏土及粗圓礫土，坡殘積（Q4dl+el）粉質黏土，坡積（Q4dl）粉質黏土，下伏基巖未二疊系上統龍?zhí)督M（P2l）板巖加砂巖，炭質片巖，炭質板巖，強風化層（W3）、全風化層（W4），二疊系上統（P2）安山巖，印支期（δ51）閃長巖，（N51）輝長巖，Fbr斷層角礫。主要不良地質有滑坡、仰坡順層、有害氣體、曼龍邁正斷層，斷層影響段落地質以斷層角礫為主，破碎帶及影響帶巖體極破碎，全隧地下水豐富。

3 超前地質預報主要技術應用

目前，超前地質預報主要采用地質調查法、超前鉆探法、物探法和超前導坑預報法[2]，其中前3種方法較為常用。

超前地質預報的主要內容是預報不良地質、地質災害、水文地質、斷層破碎帶、圍巖類別、穩(wěn)定性、有害氣體等[3]。南聯山隧道在施工中通過下述各方法的結合運用，有效地進行了超前地質預報。

3.1 地質調查法

地質調查法包括隧道地表補充地質調查、洞內開挖工作面地質素描和洞身地質素描、地層分界線及構造線的地下和地表相關性分析、地質作圖等。

3.1.1 地表補充地質調查

地表地質調查和洞內開挖面地質素描應用較多，該如何應用是重點。一條地質復雜、圍巖級別多變的隧道，從隧道進口到出口進行地表補充調查是很有必要的，過程中做好記錄

和標記是關鍵。例如，線路穿山間溝渠，溝渠水量大小，穿公路或線路附近的魚塘、水塘及建筑群走向等與線路的空間關系，或地表出露的特殊的巖土，煤層、斷層等的位置、規(guī)模等情況并配上草圖，再結合設計圖對應查閱埋深、設計參數、圍巖級別等相關資料，將這些特殊信息都標記出來，然后匯總成信息表，最后修正出超前地質預報重點區(qū)段（南聯山隧道匯總信息表內容包含：影響里程、地表調查的信息情況描述、設計埋深、設計支護參數、是否納入重點預報、預報時應注意的問題）。這些信息都作為后期施工的第一手資料，既可為物探法、鉆探法相互驗證做輔助參考資料，又可作為施工措施變化的輔助參考依據。

3.1.2 洞內開挖面地質素描

地質素描需隨隧道開挖及時進行，在地層巖性變化處、構造發(fā)育部位、巖溶發(fā)育帶等復雜、重點地段需每開挖循環(huán)進行一次素描，其他一般地段不超過10 m進行一次素描。

南聯山隧道地質變化多，圍巖級別從Ⅱ~Ⅴ級均有分布。施工中，針對地質素描主要從巖性層間結合程度、風化程度、節(jié)理特征、破碎程度、穩(wěn)定性、地下水分布、水量、地下水出漏形態(tài)（滲水、滴水、線狀）等進行描述并配以輪廓簡圖示意。

3.2 物探法

物探法包括多種方法，南聯山隧道采用的是應用相對普遍和成熟的TSP（地震波反射法）和地質雷達探測法。

3.2.1 TSP（地震波反射法）

南聯山隧道采用的是瑞士安伯格公司生產的TSP200，屬于多波多分量反射地震波物探方法。由1個傳感器孔（接收器孔）和同水平線的24個激發(fā)孔通過孔內少量炸藥激發(fā)地震波進行探測（見圖1）。巖體完整的硬巖地層，每次預報距離采用120~150 m，軟弱、破碎地層或巖溶發(fā)育區(qū)段，每次預報距離采用100~120 m，前后兩次搭接長度10 m。

圖1 TSP法探測原理示意圖

該方法的結果分析以P波（縱波）資料為主對巖層進行劃分，結合橫波資料對地質現象進行解釋，解釋遵循以下準則：（1）正反射振幅（一般會對應一種顏色）表明巖層變硬，負反射振幅（一般會對應另一種顏色）表明巖層變軟，負反射與正反射的組合表明該位置存在斷裂（斷層）；（2）若橫波S反射較縱波P強，則表明巖層飽含水；（3）若縱橫波速比Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流體的存在而引起；（4）若縱波波速Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

在施工中除了看最終的預報結果，更需從巖石參數變化圖和節(jié)理圖中分析風險段落的變化趨勢，以便更好地理解風險的范圍。此處就不附圖詳解了，總之巖石參數變化圖及節(jié)理面俯視圖中每一段變化趨勢都有詳細對應的里程位置，遵循分析原則，找出重點范圍。

通過分析巖石參數變化圖和節(jié)理圖，應遵循：P波波速越小圍巖級別越低，穩(wěn)定性、完整性越差，裂隙度增加；泊松比越小圍巖完整性越差，突然增大則存在流體；楊氏模量越小，越容易受力后變形破壞。然后再看巖石節(jié)理面，正反射振幅表明巖層相對為硬巖層，負反射振幅表明巖層相對為軟巖層。對于一般地質段，TSP法+超前鉆探法兩種相結合，就足以為施工提供良好指導。

3.2.2 地質雷達探測法

地質雷達探測法主要用于巖溶探測，以及斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻體的探測，每次探測30 m，前后兩次搭接5 m。南聯山隧道采用的是SIR-3000高精度探地雷達，100 MHz天線。

對于斷層及其破碎帶、軟弱地層、褶皺及其破碎帶等地段利用地震波反射法+地質雷達法+超前鉆探法3種方法相結合，進行相互驗證。南聯山隧道出口段曼龍邁斷層與線路相交于DK378+440~DK378+460。3種方法結合的探測在該斷層影響帶得到充分應用，根據設計資料該斷層帶影響里程為DK378+431~451共計20 m，但在施工中經過地震波反射法探測揭示，圍巖DK378+465~430段波形變化大，正反輻射振幅組合明顯。施工至DK378+470時，通過地質雷達探測揭示前方4 m范圍后電磁波頻率分布不均，變化快，振幅低，再通過掌子面左右側2個超前水平鉆孔鉆探驗證，結果鉆孔至DK378+465附近時出現卡鉆，直至DK378+440結束，全程都存在卡鉆現象，渣樣呈角礫狀、潮濕。通過3種方法探測結果分析判斷曼龍邁斷層影響段落開始里程確定為DK378+465處。后施工至DK378+445處再次進行地質雷達探測和兩孔超前水平鉆孔驗證，分析判斷曼龍邁斷層影響帶的結束里程為DK378+430，結合預報信息，對該段落支護措施采取了超前加強和支護加強。曼龍邁斷層影響帶安全平穩(wěn)通過，正是因為這3種方法的充分結合運用，準確判斷，從而指導施工早行動，提前采取超前加強支護措施，避免了坍塌后被動處理的狀況。

3.3 超前鉆探法

超前鉆探法包括超前水平地質鉆探、加深炮孔探測及孔內攝影。南聯山隧道施工中主要應用超前水平地質鉆探和加深炮孔探測。

3.3.1 加深炮孔探測

加深炮孔探測是小孔徑探測，在南聯山隧道施工中，采用全斷面法施工時加深炮孔探測采用3點法，臺階法施工時加深炮孔探測采用5點法，深度均較循環(huán)進尺深3 m。無論是3點法還是5點法，探測過程中數據的采集和記錄是關鍵。記錄表反映的信息要詳細，南聯山隧道施工中記錄表反映的主要信息有：掌子面里程、孔口相對位置、外插角度、鉆進長度、鉆進用時、有無卡鉆、突進情況、鉆后孔口出水情況、是否有氣體溢出（針對可能存在的有害氣體段很重要，是重點監(jiān)測對象）等。

加深炮孔的探測，彌補了超前水平鉆探預報范圍的局限性，對支護輪廓范圍短距離圍巖的情況探測是一個補充，特別是在圍巖復雜多變、軟硬分布不均、漸變段落起到一個多點成面的探測預報作用。

3.3.2 超前水平地質鉆探

超前水平地質鉆探適用于各種地質條件下的預報，復雜特殊地層、有特殊目的的地質地段需要采用回轉取芯鉆進行取芯鑒定和試驗，一般地段采用沖擊鉆，通過鉆孔鉆進響聲、鉆速及其變化、鉆孔渣樣、卡鉆、裹鉆、鉆桿振動、孔口流水等探明巖性、巖體完整性及溶洞、地下水發(fā)育情況。鉆孔位置的布置、角度的控制和孔數的選取要嚴格把控。具體要求如下：

1）一般地段在掌子面中部布1個鉆孔，下穿段落、淺埋段落在掌子面左右側各布1個鉆孔，鉆孔外插角控制在1°~3°；

2）富水巖溶發(fā)育段落在掌子面左右側各布1個鉆孔，結合鉆孔揭示，必要時再增加，外插角控制在10°~15°，使終孔位于開挖輪廓線5 m外；

3）根據施工總結，對于富水、巖體破碎呈角礫狀巖體段落，鉆孔角度要嚴格控制在1°~2°，終孔必須在支護的拱圈輪廓線范圍內。因為這種地質條件下，由于過大的外角傾斜，隨著水流的沖刷，角礫隨水外流，孔內會形成漩渦式的放大空洞，隨著時間的推移，越晚開挖的地方越容易形成大空洞溜坍。

南聯山隧道進口在埋深較淺的下穿魚塘段和下穿既有車輛通行的山路段，充分利用地表調查中揭示的信息，在施作超前水平鉆時就充分進行了驗證。在下穿魚塘段，提前10 m就探得豐富的地下水，掌子面左側探孔水流速度達1.2 L/s，圍巖破碎。再結合超前水平鉆預報信息，提前采取措施，洞外采取抽干魚塘水，并做防護和地表監(jiān)測。洞內采取加強超前支護，采用雙層超前小導管注漿加固，最后平穩(wěn)穿過該段。在下穿最小埋深15 m既有山路段，同樣結合洞內外預報信息，提前對揭示的風化的黃色土粒狀巖層進行了超前注漿固結措施，開挖中雖有小的溜坍，但提前注漿起了一定的穩(wěn)固作用，保證了施工安全。

總之，超前地質預報工作，每一種方法的應用都不應孤立存在，無論是地質調查法、物探法，還是鉆探法，只有把每一環(huán)節(jié)都做好，才能更充分地合理應用，否則就失去了參考意義和指導施工的價值。

4 結語

1）通過南聯山隧道施工中超前預報技術的應用，采用“洞內與洞外結合、物探與鉆探結合、相互印證、重控過程實施與數據分析應用”能更好地預報了解圍巖情況，利于施工措施調整，是可行實用的。

2）超前水平鉆孔的角度不可一味地按外擴到開挖輪廓線來控制，對于富水、巖體破碎呈角礫狀巖體，終孔位置控制在拱圈輪廓線范圍內更好，可避免過大的外角傾斜下水流的沖刷，孔內形成漩渦式的放大空洞，給開挖帶來隱患。

3）對于一條長且地質復雜多變的隧道，超前地質預報應作為日常工序管理范圍，通過各種方法的結合應用及綜合分析，為隧道施工提供合理開挖方法、更安全的支護方式和超前支護措施，使施工做到防患于未然，避免地質災害的發(fā)生。