超前地质预报在某隧道断层施工中的应用

石碧波

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430064)

1 齐岳山隧道及F11断层概况

1.1 隧道概况

齐岳山隧道位于湖北鄂西利川与重庆万州交界地带，是宜万铁路八座I级风险隧道之一，线路里程DK361+255～DK371+783，全长10528 m，洞身最大埋深670m，全隧单面下坡，平均设计坡度14.3‰。

1.2 断层概况

F11断层属区域性逆断层，走向NE35～45°，倾角50～70°，发育在T1j4以白云岩为主的硬质可溶岩与T2b1钙质页岩、泥灰岩为主的软质非可溶岩交界部位，断层带由断层角砾岩、碎裂岩、断层泥等组成，局部可见角砾的圆化相象，并在角砾状灰岩的角砾上可见擦痕，胶结物以钙泥质为主，易被溶蚀，使胶结变得松散。该断层显示有多期活动性，规模较大，发育多条次级分支断层。

前期综合勘察判定隧道在DK365+110～DK365+340段通过F11断层，贯穿隧道洞身，直达地表。断层走向与隧道轴向大致垂直，断层带正常涌水量11292 m3/d，最大涌水量114632m3/d。断层带隧道洞身埋深260～300m。DK365+110～DK365+340段围岩级别V～Ⅵ级。

由于F11断层带围岩破碎，含水丰富，且隧道洞身相对浅埋，故对施工安全、质量影响十分巨大。

齐岳山隧道F11断层工程地质纵断面简图如图1。

图1 F11断层带工程地质纵断面

2 针对F11断层带的超前地质预报措施

2.1 超前预报措施

针对F11断层水文工程地质条件，采取物探与钻探相结合的超前地质预报措施，物探手段采用TSP203;钻探采用水平钻机，在隧道掌子面以一定的偏角，沿隧道轴向施作水平钻孔，并进行水文观测。

2.2 超前预报原理

2.2.1 TSP203预测

预报采用瑞士安伯格公司生产的最新型号的TSP203 plus隧道地质超前预报系统。TSP测量系统是通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中以微震爆破来发射信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，经隧道前方的界面反射回来，反射信号经接受传感器转换成电信号并放大。从起爆到发射信号被接收的这段时间是与反射面的距离成比例的。通过反射时间与地震波传播速度的换算就可以将反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掘进面的距离确定下来，同时还可以将隧道中存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。

采集的TSP数据，通过TSP win软件进行处理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果如图2。

图2 TSP预报原理

2.2.2 超前钻探原理

超前钻探是利用水平钻机，在隧道掌子面上施作水平钻孔，依据实际探测需要，钻孔可以有一定的偏角，通过对典型地段取岩芯和记录钻进情况(如是否卡钻、钻进平稳程度、出水部位等)，对掌子面前方及开挖轮廓线周边地层的水文工程地质条件进行判定。

超前钻探通常辅以水文观察手段，主要是对钻孔进行水量、水压的观测，水压可依据测量进度选择标准水压表;钻孔水量的测试一般可分三种情况。

当钻探完成后，若钻孔不是满孔流水，可以直接采用容器提水的方法进行涌水量测试，这种情况当涌水量≤40m3/h时，测试的误差不大。

当涌水量＞40m3/h，且钻孔涌水呈股状喷出时，可采用射程法进行涌水量预估，估算公式如下:

式中:Q为预估涌水量(m3/h);X为钻孔涌水水平射程(m);D为钻孔孔口直径(m);h为钻孔距隧道底部高度(m);g为重力加速度(m/s2)。

当钻孔涌水呈雾状喷出时，可将涌水归槽后采用堰测法或流速仪测量水量。

3 工程应用实例

3.1 概况

选取位于隧道正洞出口DK365+333～+312段作为地质预报段落，本段位于F11断层带内。

3.2 预报情况

3.2.1 TSP203预测成果

对DK365+355～+240段进行的TSP预报成果资料，反应前方围岩条件如表1。

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3.2.2 超前钻探预测成果

图3 掌子面钻孔布置

采用日本RPD－150多功能快速地质钻机在DK365+333掌子面进行超前钻探，钻孔布置如图3。

对1#孔进行全孔取芯，对2#孔选取典型地段取芯，钻探过程全程跟踪记录，详细描述钻进、涌水情况，钻探完成后，对1#孔进行水量、水压测试。

钻孔反映DK365+333～+320、DK365+315～+312附近为断层破碎带，呈碎石土夹黏性土状态，成分以泥质灰岩为主，夹页岩、断层泥;DK365+320～+315为较完整的泥灰岩。

钻孔反映DK365+333～+323段地下水弱发育，单孔水量2 m3/h;DK365+323～+315水量明显增大，单孔水量增至28～30m3/h;DK365+315～+312水量继续稳定增加，终孔水量36～51 m3/h。对比钻孔范围的地层分布，分析水量的分布与岩性相关，即含泥量高的破碎带富水较弱，较完整的岩性段(DK365+320～+315)富水较强。

钻探探测地质纵断面如图4。

图4 钻孔探测地质断面

对1#孔进行水量观测，做水量变化曲线如图5。

图5 钻孔涌水量随里程变化关系

对1#孔进行水压测试，测得掌子面封闭稳定水压为1.5MPa。

3.2 预报分析结论及施工措施建议

依据超前预报分析资料，DK365+333～+312段水文工程地质条件如下:

(1)预报反映DK365+333～+320附近岩性破碎，地下水弱发育;DK365+320～+315附近岩性整体性稍好，地下水发育;DK365+315～+312附近岩性破碎，地下水水量进一步增大;实测封闭水压高达1.5MPa;

(2)整体上看，DK365+333～+312段位于F11断层带，围岩均一性差，软弱、破碎，富水，易突水突泥及发生大规模塌方;

(3)综合地层、水文情况，建议DK365+333～+312段围岩分级为VI级。

对DK365+333～+312段建议施工措施如下:

(1)DK365+333～+320段采用加固圈为8 m的全断面帷幕注浆预加固;超前帷幕注浆达到设计要求后再进行开挖，开挖揭示后根据注浆效果，局部采用衬砌外8 m径向补注浆，以提高堵水效果;

(2)注浆方式采用分段前进式注浆，遇到破碎带容易造成坍孔或有大的出水时应立即注浆封堵;

(3)注浆过程中加强对止浆墙及周边围岩的变形监控量测，作好施工应急预案。

［1］张民庆.圆梁山隧道高压富水区径向注浆技术研究及应用［J］.隧道建设，2004，24(5):21 －28