浅谈牡绥铁路隧道地质超前预测及预报施工

谢斌

摘 要：本文结合牡绥铁路三座长大隧道的具体施工实践，就长大铁路隧道地质超前预测及预报施工进行了阐要阐述。

关键词：长大铁路隧道；地质预测预报；技术控制

牡丹江至绥芬河扩能改造工程施工Ⅳ标段起讫里程为滨绥线DK450+500～DK470+250及滨绥线DK491+434～DK499+100，线路长度约27.416km，位于黑龙江省穆棱市，东宁县、绥芬河市境内。第四标段主要工程内容包括：隧道19.815km，占正线长度的72.3%，其中红房子隧道6437m，双丰隧道7224m，绥阳隧道6161m；本文就隧道地质超前预测及预报施工进行简要阐述。

组建地质超前预报专业小组，进行超前地质探测预报，制定不良地质条件下的施工预案。以常规地质综合分析法为基础，TSP203地质超前探测预报系统做长距离宏观控制，地质雷达做近距离判断，红外线探水仪做连续地下水探测，通过水平钻孔等，形成综合地质超前预报系统。

1 工程地质预测法

工程地质预测法是工程地质技术人员根据设计地质图纸、现场地质纪录，运用工程经验和地质知识进行分析、预报地质的一种方法。此法的关键在于工程地质工程师的经验丰富和现场详细的地质纪录和物探资料。

施工前预报：根据设计给出的隧道地质条件说明资料，认真分析隧道的地质断面图、平面图，掌握隧道的地质特点和水文特点。进行长距离宏观预报各段隧道可能出现的不良地质情况。

施工常规地质法预报：主要完成开挖面的地质素描，地质展开图，并利用TSP203预报资料、雷达检测资料、红外线探水资料、超前钻孔资料进行地质分析预报，是综合地质预报的中枢。

综合超前地质预报系统：施工准备→制定预报方案→地质分析→地质综合判断→施工建议→施工方案选择→隧道施工→地质素描→下循环预报

施工阶段地质资料记录：首先对已开挖地段进行地质调查，调查的主要依据为隧道开挖面地质素描、岩石结构面调查和涌水观测记录。

开挖面地质素描内容有：岩性、地质年代、岩层产状、软弱夹层、岩脉穿插情况；断层及破碎带的形态、产状、宽度、填充物特征；主要节理裂隙的形态、产状、规模及相互切割关系。围岩岩体结构类型、完整性、围岩的物理力学性能。

岩石结构面调查内容有：围岩的岩石结构产状、物理力学属性、节理的延伸性、粗糙起伏情况、张开程度。地下水出露情况、水量大小等；地下水的分布形态、大小、位置走向等；围岩节理内含水情况。

地质素描采用图表形式形象纪录。

施工阶段前推法预测：根据开挖面地质素描、岩石结构面调查记录采用前推法预测前方地质情况，首先按1∶100的比例作出开挖面前方一定长度的展开图，逐一将开挖面地质素描和岩石结构面的记录资料，按其产状、节理轨迹线绘制到展示图上，最后按其节理走向和轨迹延伸，结合TSP203的预报成果、地质雷达预报成果和超前钻孔的钻芯地质资料画出前方地质情况。地下水地质预测：现场技术人员根据以往施工经验对地下水做出经验性预报。

当隧道由弱可溶岩进入强可溶岩的边界部位时，可能发生涌水；突水点的涌水特征：一般有渗、滴水段→线状渗水段→集中涌水段→高压喷水段；当隧洞由渗、滴水段进入线状渗水段时，作好出现集中涌水的准备，进行超前预报的施工防治能取得较好效果；钻孔内出现浑水、喷水、地温测值变化较大，前方可能有涌水。掌子面附近出现铁锰质富集或泥质充填的裂隙，则表明前方有涌水的可能。

2 TSP203超前地质预报系统

TSP203系统在围岩较好地段可测出前方100～200m范围内的岩层分界面、岩层的物理性质、断层等，围岩完整性较差时，预测范围在50～100m之间。

TSP203作业流程：准备工作→测量孔位、钻孔→埋设传感器→记录孔位→连线检查→暂停施工→爆破拾波→恢复施工、成果分析。

钻孔：在距离工作面50米处钻深度为1.5m的孔，布置传感器；自工作面起，每隔1.5m钻孔一个，钻孔深度为1.5m，最后一个孔与传感器的距离大于20m。所有钻孔的高度尽可能的在同一标高线上。钻孔位置如图“TSP203系统作业布置示意图”所示。钻孔完毕后，逐个测量孔的深度和倾斜度，并作好纪录。

埋设传感器杆：埋设传感器前，先清孔，清除孔底虚渣，放入环氧树脂药卷，插入传感器套杆，用钻带动其钻动，保证环氧树脂药卷充分搅拌。待传感器杆固定后，插入传感器，传感器方向朝向掌子面。

连线检查：把传感器、检波器（电脑）、起爆器、同步器连接起来，并检查其是否正常工作，此时起爆器与雷管断开。

测量时间：测量时间选在施工交接班时间，要求工作面800米范围内停止机械作业和作业人员作业，作业前与现场施工员联系，以确定停工时间，此时准备好爆破药卷、电雷管等。

装药爆破：由最里边炮孔开始，逐个依次装药联线，起爆器起爆，装药量根据围岩情况，一般控制在50～80g左右，围岩较差时，可加大，但不能超过100g。

恢复施工：爆破一结束，马上可以恢复施工，一般停工时间在45min左右。

成果分析：采用TSP203自带的软件分析系统，剔除一些明显的干扰波，软件自动分析，自动生成图表，反映前方围岩的物理特性，岩层分界线、软弱带、断层的位置等信息。

在本标段施工中，TSP203系统按每50～100m段进行预测。

3 红外线探水

红外线探水仪可预测掌子面前方20～30米范围内的地下水情况。

操作方法：进入探测地段时，首先沿隧道一个壁，以5米点距用粉笔或油漆标好探测顺序号，一直标到终点，或者标到掘进面处。

在掘进面处，首先对断面前方探测，在返回的路径上，每遇到一个顺序号，在隧道中央，分别用仪器的激光器打出红色光斑，使之落在左壁中线位置、顶部中线位置、右壁中线位置、底板中线位置，分别读取探测值，并作好纪录。然后转入下一序号点，直至全部探完。

把探测数据输入计算机后，由专用软件绘成顶板探测曲线、底板探测曲线、两壁探测曲线。根据探测曲线可以很明了的预报出前方地下水的情况。红外线探水仪从探测到得出分析结果非常快，且探测仪器轻便，方法简单。在本标段施工中每20米采用红外线探水仪探测一次，在通过富水区断层破碎带时，适当加密探测频次。

4 地质雷达

当TSP203系统预报前方有断层、岩层破碎等不良地质时，其规模、形态需要具体了解，可用地质雷达实施探测。

本标段在地下水发育地段，对隧道周壁采用地质雷达探测，预报隧道周围地质形态。地质雷达实施探测前，在平板车上搭设检测平台，雷达仪置于车体或平台上，由平台上的操作手将雷达天线触板与所测点接触，利用超声波在不同围岩介质中具有不同传播速率的原理，通过雷达接受仪接受反射波的时间差，据以分析所测部位的地质形态。同时采用地质雷达进行衬砌厚度的识别。

5 超前钻孔探测

当TSP203系统预报前方有断层、破碎带、岩层层理明显时，采用地质钻机进行超前探孔。

用凿岩台架钻孔探测钻孔深度以30m为限，30m以内出现异常情况时，按预定方案实施，钻孔出水，安装压力表及水表，测定地下水的压力和流量。

30m以内无异常情况时，改用ZYG-150钻机探测，继续钻孔，深度为100m，无异常情况，按正常程序施工，出现异常按预案实施并测定水压和水量。100m以后的探测则由下一循环钻孔探测完成。

日常的钻孔探测：在每次钻孔过程中，指定在拱顶、两侧拱腰、两侧边墙脚及仰拱底部附近的1～2个辅助眼加深1～5m，依靠对钻孔速度变化的直觉，判断前方围岩的变化。

6 结语

经过对以上关键环节进行了严格的技术控制，牡绥铁路红房子、双丰和绥阳隧道三座长大隧道的地质超前预测及预报施工合格率100%，为隧道安全高效施工奠定了坚实基础。