超前地质预报技术在西格二线关角隧道的应用

赵天熙

(青藏铁路公司西格二线建设指挥部,西宁 810007)

超前地质预报技术在西格二线关角隧道的应用

赵天熙

(青藏铁路公司西格二线建设指挥部,西宁 810007)

关角隧道是目前我国已开工建设的最长铁路隧道,位于青藏高原东北缘,区内断裂及褶皱均较发育,地质条件复杂;高地应力、岩溶、突涌水是隧道施工中的主要地质问题。采取正确的超前地质预报技术对其进行超前探测,提出行之有效的防治措施是保证关角隧道施工安全的关键。

关角隧道 青藏高原 地质问题 防治措施

1 隧道概况

新建关角隧道位于既有铁路天棚至察汗诺车站之间,全长 32.645 km(隧道进口高程为3 380.75 m,出口高程为3 324.05m),设计为两座平行的单线隧道,设计时速 160 km/h,线间距 40m,均位于直线段上。隧道进口段为 8‰的上坡,在岭脊设坡度代数差后,以9.5‰的坡度连续下坡。天棚至察汗诺车站之间的区间长度 39.363 km,关角隧道的建成将既有线路缩短了 36.837 km。关角隧道采用钻爆法施工,总体设计思路是采用 10座斜井及局部平导辅助正洞施工。

2 工程地质及水文地质概况

2.1 地层岩性

关角隧道地层岩性极其复杂,沉积岩、岩浆岩、变质岩三大岩类均有出露,出露的地层主要有第四系、三叠系、二叠系、石炭系、志留系、下元古界,并伴有华力西期侵入岩,地层岩性特征分述如下：

1)第四系全新统(Q4)主要为现代河床冲积、洪积层和坡积层,由砂质黄土、粉质黏土、细砂、圆砾土、卵石土及碎石土组成。

2)三叠系(T)有两个截然不同的沉积类型,以关角日吉山一带出露的石炭系为界分为南北两带,北带为三叠系中统及中下统,是浅海相陆台盖层碳酸盐、碎屑岩沉积,和下伏二叠系地层呈平行不整合接触,岩性主要以灰岩、砂岩为主;南带为三叠系下统,属于南祁连褶皱带冒地槽型沉积的范围,呈规模不大的地质体零星分布,以砾岩、砂岩,呈角度不整合盖在石炭系地层之上。

3)二叠系(P)以碳酸盐为主的陆台型浅海相沉积,岩性以灰岩为主,局部夹少量砂岩,和下伏石炭系地层呈角度不整合接触,接触带附近,岩体破碎。

4)石炭系(C)由变质、变形强烈的岩性组成,呈北西向带状展布于测区中部。这是一套变质的浅海相碎屑岩建造,以变质砂岩、片岩为主,夹少量大理岩、板岩,和下元古界地层呈断层接触。

5)志留系(S)为变质的海相类复理碎屑沉积,以变质砂岩为主,局部夹板岩、片岩和少量千枚岩。大部岩石中均或多或少含有一些凝灰质成份,岩体受构造影响严重,受强烈的韧性变形和动态重结晶作用,原岩结构遭到破坏,因而具有糜棱结构和流动构造,主要分布于隧道进口段。

6)下元古界(Pt)由混合岩化作用形成的混合岩,主要为混合片麻岩、眼球状混合岩组成,局部为少量角闪岩和大理岩,主要分布于隧道出口段。

2.2 地质构造

1)褶皱构造。关角隧道褶皱发育,总体上呈北北西向展布,主要发育华力西期和印支期褶皱带。褶皱构造在区内主要表现为三种类型,一种以下古生界、石炭系中的褶皱为代表,以近于线状的紧密褶皱为主,属基底褶皱性质;一种以二叠、三叠系中的褶皱为代表,以开阔的正常褶皱为主,属盖层褶皱性质;第三种是上第三系中的褶皱,以波状起伏的缓倾斜正常褶曲为主,是新构造运动造成的。

2)断裂构造。关角隧道通过区内断裂构造极为发育,通过大小不等断层共 17条。根据断层规模及其构造意义可以分为两级,一级为区域性深大断裂(F),二级为区域断裂或次级断裂(f)。

3)水文地质。关角隧道地下水丰富,预测Ⅰ线隧道正常涌水36 759.9 m3,最大涌水81 088.1m3;Ⅱ线隧道正常涌水60 860.8m3,最大涌水134 251.8m3。

2.3 隧道施工中的主要地质问题

通过对隧道区水文地质、工程地质条件的综合分析,预测隧道施工中可能存在的主要地质问题是突水涌水、软弱围岩大变形和围岩失稳等。

3 超前地质预报技术及应用

关角隧道区复杂的地质条件不仅在技术上将给隧道建设工作带来极大的困难,也将常常因突发事故而导致人身伤亡、工期延误,造成巨大的经济损失。隧道地下工程围岩地层的复杂性和不可预见性,使得现场技术人员更多地依据工程经验和采用事后处理的方法来对付突发事故,这增加了施工的被动性,影响施工进度,增加工程投资。为尽量减少地质灾害的发生,先进的地质探测设备的应用,无疑对隧道的施工有重要的指导作用。

当前,国内外的隧道地质超前预报技术正在发展之中,目前应用的负视速度法,水平剖面法,TSP(隧道地震反射波超前地质预报系统)、TGP(隧道地质超前预报系统)、TRT(隧道层析扫描超前预报系统)与 TST(地震偏移成像超前预报)等技术,都逐渐进入地下工程领域。通过现场的不断实践,利用多手段、多设备,地质分析与工程物探相结合,地震方法与地磁方法相结合的综合超前预报方案,能解决掌子面前方围岩速度结构可靠分析的问题,解决不良地质构造、含水构造、含瓦斯气构造的超前预报问题,实现了隧道围岩地质结构的精确成像,适合复杂地质条件下的地质超前预报应用。

在关角隧道超前地质预报中,主要采取的是综合超前地质预报,具体包括四个方面的内容,即隧道主要不良地质和施工地质灾害宏观预报,隧道洞身主要不良地质体的长期、短期超前预报,超前钻探和施工地质灾害临近警报期四种预报方案和工作步骤。其具体流程见图 1。

图1 关角隧道超前地质预报工作流程

3.1 不同分级地段的工作方法

A级：采用 TSP地质分析法进行长距离预报,并结合地质雷达、红外探测、超前水平钻探、掌子面地质素描等手段进行综合预报。其中 TSP的探测距离不大于 100m;超前水平钻不少于 3孔,距离 ＞30 m;超长炮孔不少于 6个,长度不少于 6 m;地质雷达探测距离不大于 15m;地质素描每次爆破掘进均要进行。

B级：采用 TSP地质分析法进行长距离预报,并结合地质雷达、红外探测、必要的超前水平钻探等手段进行综合预报,当发现局部地段工程地质条件复杂时,按A级要求实施。

C级：以地质素描为主,对重要的地质(层)界面、断层或物探异常地段,可采用 TSP地质分析法进行长距离预报。

D级：采用地质素描进行预报。

3.2 各种超前预报工作的特点

1)TSP超前预报。TSP超前地质预报系统是专门为隧道和地下工程超前地质预报研制开发的目前世界上在此领域较先进的设备。其原理是采用回声测量原理：地震波在指定的震源点用小药量激发产生;地震波在岩石中以球面波形式传播;当地震波遇到岩石物性界面时,一部分地震信号反射回来,另一部分信号折射进入前方介质;反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。TSP地质超前预报系统的现场布置及测试过程由一系列炮点、两个三维接收传感器(X、Y、Z方向)、接收机及数据处理系统组成。

TSP超前地质预报系统的优点是：为方便快捷地预报掌子面前方 100～150m范围内的地质情况提供了一种有效的方法和工具,为隧道变更施工工艺提供了依据,大大减少隧道施工坍方带来的危险性,减少了人员和机械的损伤,经济效益明显。

2)地质雷达。作为 TSP超前地质预报的补充,在高水压地段,对 TSP预报的异常点,如确定异常体的规模、性质、危害性有困难时,采用地质雷达作为补充手段。地质雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作,发射天线将高频(106～109 Hz或更高)的电磁波以宽带短脉冲形式送入地下,被地下介质(或埋藏物)反射,然后由接收天线接收。根据电磁波理论,当雷达脉冲在地下传播过程中,遇到不同电性介质交界面时,由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射,以此对隧道前方地质情况(岩性、完整性、岩溶空洞、裂隙水情况等)进行分析评价工作。

地质雷达的优点是：操作方便,对施工基本无干扰,20 min即可对掌子面前方做出探测。可对隧道底部、两侧边墙存在的岩溶、空洞情况进行探测。精度高,对岩溶、水较敏感。

3)地质素描。利用常规地质理论和作图法,将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘制成图表,结合已有勘测资料,进行隧道开挖面前方地质条件的预测预报工作。该方法设备简单、操作方便、不占用隧道施工时间,提交资料及时,费用低,但对操作人员地质知识水平要求较高,需要地质专业人员来完成。

4)红外探水。利用所有物体都能发射出不可见的红外线能量的原理。能量的大小与物体的发射率成正比,而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。当隧道掌子面前方及周边介质单一时,所测得的红外场为正常场,当前面存在隐伏含水构造或有水时,所产生的场强要叠加到正常场上,从而使正常场产生畸变。据此,判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。现场测试有两种方法：一是在掌子面上,分上、中、下及左、中、右六条测线的交点测取 9个数据,根据这 9个数据之间的最大差值来判断是否有水;二是由掌子面向掘进后方(或洞口)按左边墙、拱部、右边墙的顺序进行测试,每 5m或 3m测取一组数据,共测取50 m或 30m,并绘制相应的红外辐射曲线,根据曲线的趋势判断前方有无含水。

5)超前水平钻。根据不同的地质条件,针对不同的探测对象以及不同的超前预报等级,主要分为长距离(50～100 m)超前水平钻探和短距离超前钻探两种：①长距离(50～100 m)超前水平钻探,水平探孔直径不小于 110 mm,钻深达到 50～100 m;②短距离(20～30m)超前水平钻探,水平探孔直径不小于 110mm,钻深达到 20～30m。

根据地质详勘报告和设计图纸,结合本标段实际情况,在掘进工作面上布设超前探孔,在钻探中根据钻机在钻进过程中推力、扭矩、钻速大小、岩粉成份、成孔难易及钻孔出水情况来判断前方的地层和岩性,同时进行涌水量和水压测试,判断掘进工作面前方地层含水情况。必要时,每个掘进工作面增设超前探水孔 2～3个,分别位于拱顶和拱腰部位,超前探水孔终孔位于隧道开挖轮廓线外 1.5～1.3m。

4 应用实例

2008年 8月 2日 4#斜井施工至掌子面里程斜 9+88位置时,在掌子面有两处出水点：一处位于右侧底板,呈泉眼状涌水;另一处位于隧道中线距底板 40 cm处,经钻孔向外喷水,喷射距离约 3 m。水质清澈,突涌水以极快的速度向洞口方向推进,具有承压性。8月 3日,在掌子面有大股地下水涌出,最大涌水量约8 000～8 500m3/h。

为了保证隧道的施工安全,在进行了详细的现场踏勘和实地调查后,确定该掌子面的超前预报方案是：以工程地质分析其涌水的成因,TSP超前预报探测为主,辅以红外探水和超前水平钻验证。

本次涌水主要来源于先期赋存在掌子面前方的受到构造裂隙严格控制的的地下水,由于斜井上部是一个有利于汇水的山谷,加上隧道区域上近期降水量较大,使得在 4#斜井掌子面前方构造裂隙中赋存的地下水量有所增加。另外,地表水和地下水对于其补给通道比较十分通畅,加上该储水构造形成时间较长,赋存了较大的水量,且具有一定的承压性。

超前地质预报探测图(图 2)显示,在掌子面前方约 50～106 m之间有一宽约 56m隐伏的断裂构造带,其存在控制着掌子面地下水的分布情况,现在掌子面的涌水就是这个断裂构造上盘下部构造裂隙中所赋存的地下水。随后进行了超前水平钻的探测,在斜 9+39～斜 8+80的位置,有较丰富的地下水。根据超前预报的情况,施工单位适时地采取了注浆、排水、加强支护等措施,保证了隧道施工地的顺利进行。

图2 关角隧道 4#斜井斜 9+88超前地质预报图

5 结论

通过对青藏铁路关角隧道采用综合地质超前预报方案的实施和预报数据的处理,利用系统集成的方法,综合各类地质信息,采用先进的计算机技术进行建模分析及数值模研究。通过对掌子面前方的地质进行全方位的系统研究,提出了预测预报结果,再根据现场的预报结果,实施动态的施工方法,及时调整围岩分级、设计参数及施工方案。同时对掌子面前方可能诱发的重大地质灾害建立临警预报系统,评判其危害程度,并提出施工预案对策,为今后特长隧道的勘察、设计及施工提供理论依据。

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U452.1+1

B

1003-1995(2010)02-0030-04

2009-10-15;

2009-11-17

赵天熙(1958— ),男,甘肃高台人,高级工程师。

(责任审编 白敏华)