超前地质预报在铺子山隧道施工中的应用

　　

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

伴随着我国基础设施的建设，隧道施工技术有了飞速的发展，隧道工程数量越来越多，隧道工程施工速度越来越快，施工难度也越来越大。然而，由于对工作面前方地质情况了解不清，给隧道施工带来很大的盲目性和危险性。施工中经常出现始料不及的塌方、冒顶、涌水等事故[1]。事故一旦发生，轻则影响施工，增加工程投资，重则造成人员伤亡；而且事故发生后的处理工作难度很大。因此，隧道施工中常碰到的由不良地质现象造成的隧道塌方、冒顶、涌水等问题已成为日益关注的问题[2-3]。为减少这些问题的发生，超前地质预报应运而生。超前地质预报是指对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件，其中主要是不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等，进行探测、分析解译和预报。其方法主要有：地质调查法、水文地质观测、超前钻探法、物探法等。实践证明超前地质预报具有很好的预警性，基于超前地质预报的结果提出的安全措施能极大地降低施工中的安全风险[4]。

1　工程概况及地质条件

1.1　工程概况

铺子山隧道是山西中南部铁路通道的一座高风险隧道，位于山东省临沂市莒南县省级自然保护区三皇山古墓南面，隧道穿越三皇山山脉,全长6 671 m。全隧设1座斜井，长319 m。

1.2　隧道区地质条件

(1)隧道区地层岩性

隧道洞身主要穿越燕山晚期角闪石英二长岩、晋宁期云山二长花岗岩，进口段主要为白垩系安山质角砾凝灰岩。

(2)隧道区地质构造

隧道通过沂沭大断裂的瓦店-铨圆断裂(F4)，该断裂近正交通过(交角约80°)线路，属新华夏系断裂，在白垩系之前发生，燕山期岩浆岩侵入将其覆盖，走向北北东向，长约100多km。

据物探揭示，DK1234+500～DK1234+800段为物探低速异常区，推测该处为瓦店—铨圆断裂交汇处。据钻探揭露，破碎带宽约12 m，成分为二长岩，角砾大小不一，直径0.2～12 cm，最大30 cm，砾面光滑，具镜面，次棱角，铁镁绿泥质胶结。该段为压扭性断裂，推测断层产状305°∠73°。

(3)隧道区埋深

DK1234+390～DK1235+690段洞身位于浅埋段，埋深18.5～31.5 m。其中，DK1234+500～DK1234+600段有地表水，地下水位高于隧道洞身，施工中易产生冒顶等工程地质问题。

1.3　环境影响

DK1234+300～DK1235+700段上方为村庄，且埋深较浅，施工中应防止因大量抽取地下水引发水井干枯、房屋开裂，以及地表溪水涌入洞内等环境地质问题。

2　超前地质预报

该隧道区断裂构造发育，有较长段位于浅埋段，并且浅埋段上方有溪流通过，隧道区工程地质条件复杂。利用超前地质预报对隧道前方的地质条件进行解译分析，进而对隧道的施工提出合理的建议及措施。本项工作主要采用了地质调查法、水文地质观测及物探法(主要是地震反射波法)进行了超前地质预报。其内容包括：断层构造及断层破碎带、节理、裂隙较发育带、侵入接触带、软弱带位置、大小、规模及富水等情况；可能引发隧道塌方、冒顶的具体段落；地下水赋存状态及可能突水、涌水的位置[5]。

2.1　地质调查法与水文地质观测

(1)地质调查法

①隧道地表补充地质调查。

②工作面与侧壁的量测和地质素描，主要包括岩体内的节理、裂隙、断层、岩脉等，通过全程对工作面上进行地质素描，采用地质编录预测法(图解法、类比法、断层参数法等)。

(2)水文地质观测

①洞内涌水点调查：层位、构造部位、洞围分布、含水体分布、时效关系、制约因素、补给来源、途径、连通关系等。

②涌水量预测：实测(反映瞬时特征和短期变化特征)、长期观测(反映长期变化特征和动态特征)，水质分析和水压测试(水化学组分，压力、温度、色度、含泥沙量测定)，危害评估。

③洞外水文地质调查：排泄点(径流点)长期观测，水文地质及环境水文地质调查(同位素、示踪、水质分析)，地表塌方变形调查等。

2.2　地震反射波法工作原理及解译预报原则

(1)地震反射波法工作原理

地震反射波法(TSP203探测)是基于隧道围岩的弹性差异，根据地震波的反射波原理，获取不良地质体的地质力学参数和位置、规模等几何参数的一种探测方法[6，7](图1)。其方法为人工制造一系列有规则排列的轻微地震波，地震波在围岩中以球面波形式传播，当遇到围岩物性界面(如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。由3分量地震波检波器在计算机的监控下采集这些震源所发出地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体(如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等)被反射返回的地震波数据[8]。这些反射波信号的传播速度、波形、频率、强度和方向等特征与相应不良地质体的性质和分布状况紧密相关，通过分析反射波信号的上述特征，处理提取工作面前方围岩的波速、泊松比、反射系数及其变化情况，从而预测前方不良地质体的地质力学参数和位置、规模等几何参数[9，10]。

图1　地震反射波法原理

(2)解译预报原则

在成果解释中，以P波剖面资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释，并遵循以下原则：正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水；Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于地下水的存在而引起；若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加[11]。

3　工程应用

选取铺子山隧道DK1234+660～DK1234+764段为研究对象，该段设计为强—弱风化角闪石英二长岩，节理裂隙发育，岩体破碎，地下水较发育，采用Ⅳ级抗水压锚段衬砌。针对该段的地质条件特点，采用了地震反射波法、地质调查法及水文地质观测法进行超前地质预报。

3.1　地震反射波法(TSP203预报)

通过隧道内预报数据的采集及对二维结果图(图2)的分析，隧道工作面前方预报范围内围岩条件预报如下：

①DK1234+660～DK1234+722围岩为强—弱风化角闪石英二长岩，节理裂隙发育，岩体破碎，地下水较发育，渗滴水，局部股状出水(有多组反射界面，纵、横波速度降低，局部泊松比增大)，围岩稳定性差，易塌方，局部可能涌水。

图2　TSP隧道超前预报二维成果

②DK1234+722～DK1234+764围岩为燕山晚期强—弱风化角闪石英二长岩，F4断层影响带，节理裂隙较发育，岩体较破碎，地下水较发育，渗滴水，局部线状出水。

3.2　地质调查及水文地质观测

现场开挖揭示，DK1234+670处岩性为石英二长岩，节理裂隙发育，宽张节理，无充填，发育3组节理，间距3～4条/m，结构面粗糙，延伸4 m左右，该段埋深20～21 m，工作面中间及拱部围岩较破碎，局部呈强风化，强度较低，围岩整体完整性及稳定性较差。拱部及工作面出现股状出水现象，水质清澈，据现场监测，涌水量为75 m3/h，据地表调查及洞内观察，总体水量逐渐减小，主要为基岩裂隙水，受大气降雨补给。

3.3　基于超前地质预报的施工建议

根据超前地质预报结果，对DK1234+690～DK1234+700及DK1234+712～DK1234+722段进行加长炮孔法地质预报，同时加密地质素描，密切关注炮孔钻进情况，根据预报结果，及时支护，注意防排水。

对于涌水段立即实施全断面径向注浆堵水，原设计格栅钢架间距1.2 m改为0.8 m。

施工期间做好降雨量与涌水量的监测工作。

施工期间做好地表调查工作，主要是在径向注浆期间，调查施工是否对地表构筑物、农田、乡村道路产生影响，避免涌水及注浆材料污染附近水源。

3.4　现场开挖实际情况

(1)现场开挖揭示，DK1234+665～DK1234+726段岩性为强—弱风化角闪石英二长岩，由于瓦店—铨圆断裂带影响，节理裂隙发育，宽张节理，局部泥质充填，发育3～4组节理，间距4～5条/m，结构面粗糙，延伸3～5 m。工作面中间及拱部围岩较破碎，围岩整体完整性及稳定性较差。该段拱部及工作面出现股状出水现象，水质清澈。据现场监测，正常涌水量为31 m3/h，最大涌水量高达92 m3/h。

(2)DK1234+726～DK1234+764段岩性为燕山晚期强—弱风化角闪石英二长岩，节理裂隙较发育，局部岩体较破碎，地下水较发育，渗滴水，局部线状出水。局部围岩稳定性较差。

由实际开挖结果可知，超前地质预报预测的前方围岩情况与实际开挖情况吻合较好。表明超前地质预报具有很好的预警作用。

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