超前地质综合预报技术在基岩裂隙水隧道中的应用

王 俊

（中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055）

超前地质综合预报技术在基岩裂隙水隧道中的应用

王 俊

（中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055）

超前地质预报是高风险隧道施工过程中不可或缺的一项工作,对确保施工生产安全起着至关重要的指导作用。在总结前人工作的基础上,提出一种综合预报技术方法,并以中国某重载铁路基岩裂隙水隧道为实例,详细阐述了该方法在隧道涌水预测方面的应用,初步探讨综合预报技术的可行性及今后隧道超前地质预报工作的发展方向。

隧道 超前地质预报 综合预报

随着我国铁路建设事业的发展,隧道施工安全问题越来越受到社会各界的关注。隧道施工过程中经常出现的突水、突泥、坍塌、瓦斯燃烧等事故不仅可能直接或间接导致人员伤亡,还会给现场作业带来极大麻烦与挑战。据不完全统计,因水文、地质问题而造成的现场停工时间约占施工总工期的1/3～1/4[1]。为有效规避施工安全风险和最大程度的减轻地质灾害损失,超前地质预报研究工作具有十分重要的现实意义。

自铁建设〔2010〕120号文件要求将高风险软弱围岩及不良地质隧道超前地质预报责任主体划归为设计单位后,隧道超前地质预报工作已引起各设计院的高度重视。

1 超前地质预报工作简介及综合预报技术

1.1 超前地质预报工作内容

隧道深埋地下,工程地质和水文地质条件复杂、多变,期望在勘测设计阶段完全查明隧道工程的岩体构造、状态、特性,特别是不良地质体的确切位置、规模等是十分困难的[2]。隧道超前地质预报正是因为其能对开挖工作面前方的地质情况作出判断与预测,从而成为指导隧道安全施工不可或缺的一项工作。一般情况下,隧道超前地质预报工作的主体内容包括以下四个方面[3]：

①地层岩性预测预报,特别是对软弱夹层、破碎地层的预测预报。

②地质构造预测预报,特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性构造发育情况的预测预报。

③不良地质预测预报,特别是对岩溶、人为坑洞、瓦斯等发育情况的预测预报。

④地下水预测预报,特别是对岩溶管道水及富水断层、富水褶皱轴、富水地层中的裂隙水等发育情况的预测预报。

1.2 超前地质预报工作进展

纵观我国隧道超前地质预报工作的进展,主要历经下面几个阶段：①起步阶段。20世纪50年代至80年代,主要采用超前地质导坑、水平超前钻探等简单实用的方法进行预测预报,此类方法预报距离短且大量占用施工时间。②摸索阶段。20世纪80年代至90年代,国内超前地质预报工作除在超前钻探现场作业方面做过大量改进研究外,还将物探技术成功应用（设备依靠国外引进与自主研发）,并逐步建立和完善物探预报理论体系。③应用成熟阶段。进入21世纪后,TSP202和TSP203、地质雷达和陆地声纳等设备已广泛应用于各施工隧道超前地质预报工作中[4]。针对预报存在的重大误差问题,其原因也在积极探索之中。

1.3 综合预报技术的提出

当今采用的超前地质预报方法主要包括地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑预报法。从各类物探设备的应用情况来看,单一预报方法其预报准确度并非十分可靠,不同预报方法对不同地质缺陷的预报效果也不尽相同,目前还没有哪种设备能对各种地质缺陷做出准确预报[5]。

由此可见,为了提高预报准确性,有必要展开综合预报技术研究,本文结合某高风险隧道超前地质预报工作实例,提出一种“长距离预报与中短距离预报相结合、物探预报与地质预报相结合、微观与宏观相结合”的综合预报方法。

2 综合预报技术的应用实例及其效果检验

中国某重载铁路隧道位于震旦系下统串岭沟组（Z1ch）砂岩、石英砂岩地层中,基岩裂隙水较为发育。该隧道在开挖过程中,地下水沿基岩裂隙向坑洞内渗出,局部水体呈线状或股状,隧道涌水给现场施工带来极大麻烦。为确保隧道施工的安全和质量,超前地质预报工作在采用TSP（Tunnel Seismic prediction）反射地震预报方法进行长距离预报的同时,选择HW-304红外探测仪对工作面前方30m范围内可能存在的隐伏含水体实施方位探测,并结合宏观水文地质条件总结与微观现场工作面及边墙出水情况观测,最终根据上述多方面分析结果,针对工作面前方掘进施工做出合理化结论与规范化建议。

TSP探测结果见图1。

TSP探测结论见表1。

表1 TSP探测结论内容

图1 TSP在DK790+518工作面的探测结果

红外探水探测结果见图2与图3。红外探水结论见表2。

图2 红外探水在DK790+518工作面的探测结果

图3 红外探水在隧道走向上的探测结果

表2 红外探水结论

DK790+518工作面地质素描情况：震旦系串岭沟组紫红色砂岩、石英砂岩,中厚层状,层厚20～30cm,局部夹薄层泥岩,岩体较完整；砂岩岩层产状：265°∠4°,主要发育两组节理,节理面产状分别为160°∠85°和60°∠69°,节理间距分别为1.5～2.5m和1～1.5m,均为密闭型,延伸长度0.5～1m。

从现场工作面及边墙出水情况来看,在DK790+ 518处地下水主要以漫流或散流的形式沿基岩裂隙涌出,局部地段地下水体呈线状（未见股状水体）。从洞身所处的水文地质条件来看,隧道穿越含水地层以震旦系串岭沟组砂岩基岩裂隙水含水层为主,裂隙的张开度及连通性一般,隧道涌水主要来源于含水层中的静储量。结合TSP与红外探水探测结果可以判断,隧道涌水可能会随着工作面的掘进而发生增大现象,这种增大现象在DK790+450～DK790+382段的表现可能最为明显,而后到了DK790+382～DK790+370段可能又会恢复正常。作出综合预报结论如下：

①DK790+518～DK790+450段。应严格按照施工图进行开挖施工,及时做好相应支护,注意防排水,并做好中短距离的预报工作,以规避安全风险。

②DK790+450～DK790+382段。应采取超前水平钻进行减排水,加密地质素描,做好防排水预案,及时有效采取措施,以规避安全风险,特别是大的涌水。

③DK790+382～DK790+370段。应做好中短距离的预报工作,以规避安全风险。

为有效规避安全生产风险,对DK790+520～DK790+450段及DK790+385～DK790+370段采用加长炮孔进行突水突泥情况超前探测,对DK790+455～DK790+382段采用超前水平钻探进行集中减排水以保证正常施工。

上述即为综合预报技术应用于基岩裂隙水情况隧道超前地质预报的一个实例。值得注意的是,在工作面里程逼近DK790+450时,应根据现场涌水观测情况考虑是否再次布置红外探水探测工作,并依此修改和完善预报结论,将物探预报与地质预报紧密结合,环环相扣。同样,在工作面里程逼近DK790+382时也是如此。

表3为DK790+455～DK790+382段超前水平钻探施做情况,钻探设备采用无锡市双帆（金帆）钻凿设备有限公司产品YG-5 0系工程钻机。

表3 DK790+455～DK790+382段超前水平钻探揭露地质情况

从水平钻探施做结果可以看出,综合预报结论在分段上比较准确地预测了前方的涌水情况,并依据不同涌水情况提出了切实可行的抽排水措施建议,起到了保障现场安全施工的作用。

3 结论与建议

隧道涌水,一直以来都是铁路建设的热点话题,它可能诱发突水、突泥、坍塌等重大地质灾害问题,威胁建设人员生命安全。在可能出现涌水事故的隧道施工过程中,较准确地预测工作面前方涌水情况并提供可靠的抽排水应对措施与建议,是安全生产作业的有力前提。通过“长距离预报与中短距离预报相结合、物探预报与地质预报相结合、微观与宏观相结合”综合预报手段在中国某重载铁路隧道超前地质预报工作中的成功应用,得出下列结论和建议：（1）综合预报技术在隧道涌水的预测方面是可行的；（2）物探成果须与现场地质情况紧密结合,二者相辅相成,互为佐证；（3）发挥物探作业优势,在宏观总结隧址地质、水文地质条件与微观现场地质情况确认的基础上开展超前地质预报工作,会成为今后的发展方向。

[1] 王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘察,2004（1）：7-9

[2] 李术才,李树忱,张庆松,等.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26（2）：21 7-225

[3] 齐传生,周振国,杨世武,等.铁路隧道超前地质预报技术指南[M].北京：中国铁道出版社,2008

[4] 肖书安,吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程物理学报,2004,1（2）：159-165

[5] 李术才,刘斌,李树忱.基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究[J].岩石力学与工程学报,201 1,3 0（7）：1 297-1309

App lication of Advanced Geological Fforecast Technology in Bed Rock Ccrevice Water Tunnel

WANG Jun

U455

B

1672-7479（2012）03-0044-03

2012-04-09

王 俊（1986—）,男,助理工程师。