超前地质预报在活动断裂带隧道施工中的应用

宋 晃

(中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001)



超前地质预报在活动断裂带隧道施工中的应用

宋 晃

(中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001)

结合大瑞铁路某标段隧道穿越活动断裂带的特殊性，采用物探、超前探孔、加深炮孔等综合探测手段，进行超前地质预报分析，并构建了活动断裂带地区综合预报体系，全面准确地掌握了隧道围岩的情况。

活动断裂带，隧道，综合探测手段，超前地质预报

1 工程概况

新建大理至瑞丽铁路(大瑞铁路)保山至瑞丽段全线在云南省境内，全长约196.42 km。大瑞铁路是国内第一条穿越横断山脉的Ⅰ级铁路。地质具有高地热、地应力、地震烈度(三高)；活跃的新构造运动、地热水环境、外动力地质条件、岸坡浅表改造过程(四活跃)的典型特征。

1)地形地貌。大瑞线位于云贵高原西部的边缘地带、横断山南段，地势起伏变化快、地形地貌复杂。

2)工程地质。沿线分部主要以碎屑岩、岩浆岩、碳酸盐岩、变质岩为主。

沿线的活动及深大断裂较为发育，全部属于特提斯—喜马拉雅断裂体系。较为活跃的活动断裂主要有：北东向的泸水—龙陵—瑞丽断裂带、畹町断裂及南北向的怒江断裂带。

3)水文地质。地表水主要为江水、水库水及沟槽内流水。

地下水在不同的地质构造单元，有不同的特征，地下水类型主要有孔隙水、基岩裂隙水、断裂带水、岩溶水等。

4)不良地质及特殊岩土。全段主要不良地质问题有：高烈度地震区及深大活动断裂、高地温、岩爆及软岩大变形、滑坡、错落、危岩落石及岩堆、泥石流、岩溶、顺层、放射性、有害气体等。

全段特殊岩土有软土、松软土、膨胀土(岩)。

本线3次以隧道形式穿越泸水—瑞丽活动断裂带，分别为桦桃林三号隧道、橄榄坡二号隧道及三台山隧道。为改善地震响应特性，活动断裂带隧道衬砌采用近圆形衬砌结构，拱墙范围预留35 cm补强净空，以确保震害发生后及时修复，衬砌设计时向断裂段两端延伸50 m。

2 超前地质预报方法及其内容

2.1 超前地质预报目的

1)进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件，一定程度指导施工；2)避免灾害的发生并减小相关的危害损失；3)为设计变更提供支持依据。

2.2 超前地质预测预报的方法及其内容

根据具体隧道地质构成及风险等级，采取相互结合补充的超前探测方法，分别为地质调查法、物探法及超前钻探法。

1)地质调查法。地质调查法包括隧道地表情况调查和洞内掌子面围岩素描等。

2)物探法。物探法包括地震波反射法、红外探测法、地质雷达法、时域瞬变电磁法等。

现场采取的物探方法为以上几种措施相互结合的措施，主要分为WT-1～WT-4(见表1)。

表1 物探法措施表

3)超前钻探法。在隧道施工中，物探法对前方掌子面及围岩的情况判别较为宏观。对大瑞铁路线这种穿越活动断裂带、围岩极为破碎且变化极快的隧道，钻探法对围岩的预判效果更为明显。

a.超前地质钻孔。采用冲击钻成孔结合孔内成像分析法，超前探测20 m～30 m，验证中近距离物探超前探测的异常地段。每25 m一循环，每孔长30 m。

b.加深炮孔。利用隧道每一循环开挖时的炮孔加深并结合一定的外插角探测掌子面外围的围岩情况，每次施作3孔～5孔。

现场采取的钻探方法为以上几种措施相互结合的措施，主要分为ZT-1～ZT-7(见表2)。

表2 钻探法措施表

3 以三台山隧道为例综合预报体系的运用

3.1 工程概况

三台山隧道位于芒市西车站—坝托车站区间，为时速140 km/h单线隧道，隧道全长9 363 m。隧道进、出口两次与龙陵—瑞丽断裂带相交，断裂带内岩体极破碎，成分以断层角砾、压碎岩为主，围岩稳定性极差。本隧道的不良地质主要以活动断裂带、高地应力、顺层偏压、松软土、膨胀土为主。全隧道分为进口、1号斜井、2号斜井、出口四个作业工区。

2号斜井全长615 m进入主线正洞，斜井主要位于龙陵—瑞丽深大活动断裂带上盘，斜井处于断层破碎带内，围岩较为破碎。2号斜井XJ2K0+000～XJ2K0+430段落采用的超前地质预报法为WT-1(地震波反射法即TSP)和ZT-2(超前钻孔1孔+加深炮孔5孔)。本次分析采用具有典型代表的围岩变化情况较快、超前地质预报综合分析起到的指导施工作用较为明显的XJ2K0+300.4～XJ2K0+265.4一段。

3.2 物探法

2017年1月1日在掌子面里程XJ2K0+351处由第三方预报单位进行了TSP超前地质预报，本次探测里程为XJ2K0+351～XJ2K0+241，报告编号为J17检大瑞-STS2#XJ-DZ-1。物探法对前方围岩的判断如表3所示。

表3 物探法探测结果

3.3 钻探法

2017年2月12日在掌子面里程XJ2K0+300.4处施作了超前地质钻孔，本次探测里程为XJ2K0+300.4～XJ2K0+265.4。

按照设计要求，本次主要为超前钻孔1孔，钻孔布置如图1，图2所示。

1)钻孔情况与出水情况。钻孔全程无卡钻和塌孔现象，前期钻进较为匀速，在23 m～35 m(XJ2K0+277.4～XJ2K0+265.4)范围内钻进速度加快；钻进过程中有渗水，待钻到10.3 m处(XJ2K0+290.1)时出水现象加剧，在继续钻进的过程中，水量随着钻孔的加深而加大。

根据钻进情况，初步可判断出XJ2K0+277.4～XJ2K0+265.4段围岩变差、从XJ2K0+290.1开始围岩出现裂隙水同时随着呈现增加的趋势。

2)孔内成像情况。随后，为了进一步验证钻孔结论，对钻孔进行了孔内成像,成像的截图如图3，图4所示。

从图3，图4可以看出：在孔内10.3 m(XJ2K0+290.1)处，孔内左上部渗水现象严重，分析此处为一处渗水点；在孔内23 m(XJ2K0+277.4)处，孔内裂隙水量明显增大，且孔内周边开始有黄色夹层。

根据孔内成像情况，基本与钻孔分析的结论相吻合。

3.4 物探及钻探综合分析施工建议

结合超前水平钻探及物探TSP的资料综合分析，向现场施工提出建议如下：

开挖揭示掌子面围岩为板岩、混合岩、混合岩化片麻岩、微晶片岩夹变质砂岩，岩体破碎～极破碎,节理裂隙发育。在掌子面前方10.3 m，即XJ2K0+290.1处开始出现裂隙水，施工中应做好抽排水工作的相关准备；

在掌子面前方23 m～35 m，即XJ2K0+277.4～XJ2K0+265.4段岩体整体性较差，节理裂隙较发育且有软弱夹层，地下水较多。施工中可能发生掉块、坍塌及涌水风险，应严格控制开挖进尺，加强支护及监控量测，另在施工此段落时应严格做好加深炮孔对周边围岩的探测工作。

3.5 加深炮孔施作时的异常情况分析

此段落按照设计钻探为加深炮孔(5孔)，在上台阶拱顶需施作3孔加深炮孔。XJ2K0+300.4～XJ2K0+270段落施作加深炮孔均较为正常，2017年3月2日施工至XJ2K0+270时，施作的3孔加深炮孔钻进速度均较快，炮眼内返出的围岩粉末颜色为黄色(掌子面围岩为灰色)。

根据加深炮孔的结果分析，XJ2K0+270处掌子面拱顶上方围岩极差，判断软弱夹层极为严重。故在施工此段落时要求加密超前小导管并加大注浆压力以预防掉块、坍塌的现象发生。

3.6 开挖揭示掌子面情况

开挖后揭示掌子面的围岩情况为：

XJ2K0+290处掌子面围岩整体性较好，开始出现裂隙水且水量较大(见图5)；XJ2K0+277.4处掌子面围岩整体性较差，节理裂隙较发育且开始有软弱夹层现象，裂隙水量增大(见图6)；XJ2K0+270处掌子面围岩整体性极差，节理裂隙极发育且拱顶处完全为软弱层(见图7)。

围岩开挖揭示的情况基本与超前地质预报综合分析的判断相吻合，超前地质预报综合分析较好的指导了现场施工，成功的避免了施工中的掉块、坍塌、涌水等的施工风险。

4 活动断裂带地区综合预报体系

活动断裂带地区隧道超前地质预报综合体系由以下几种手段构成:

1)初步预报。查阅设计及勘查资料，对地表的情况进行提前全面调查。结合已施工段落的围岩地质描述情况与设计情况进行综合对比，初步推断不同段落的地质情况；

2)中长范围预报。采取以TSP为主的多种物探手段初步判断掌子面前方100 m～150 m范围的围岩破碎、含水等情况；

3)短距离预报。采取超前地质钻成孔结合孔内成像分析的手段，对前方30 m范围的围岩进行判断。在初步预报和中长范围预报基础上，如发现异常情况，采用增加超前钻孔、加深炮孔等进行对比验证;

4)即时预报。按照设计要求施作加深炮孔，主要对掌子前方及周边3 m范围内的地质情况进行更加及时的判断。

5 结语

1)三台山隧道2号斜井XJ2K0+300.4～XJ2K0+265.4段的地质情况的成功预报，证明了超前地质预报综合分析技术在隧道施工中对围岩破碎情况的判断是可行的。

2)在活动断裂带地区的超前地质预报中，使用地质调查法、物探(TSP为主)、超前钻孔(结合孔内成像)、加深炮孔相互综合的预报手段。首先利用地表调查、洞内围岩素描、TSP为主的物探法相结合的分析手段初步了解隧道掌子面围岩的大致情况，再通过超前钻孔结合孔内成像分析对掌子面前方30 m范围内的围岩破碎情况进行进一步判断。使用加深炮孔施作能够更加直观、及时的反映掌子面前方以及周边尤其是拱顶部位的围岩情况，对围岩地质情况判识更加精确。

3)活动断裂带地区综合超前地质预报，各种探测手段均具有一定的优缺点。物探判断距离长但较为宏观，超前钻孔较为准确但存在一孔确定围岩的局限性，加深炮孔及时准确但判断距离较短。采取多种预报相互结合、相互佐证，遵循钻探与物探相结合、钻探为主的原则，能够全面准确的了解隧道围岩的情况。

[1] 马 栋.金洞隧道超前地质预报技术[M].北京：北京铁道出版社，2003.

[2] 谭信荣.陈寿根,马 辉.隧道综合超前地质预报技术在岩溶地区的应用[M].北京：北京铁道出版社，2012.

[3] 陈铁锋.超前地质预报在岩溶隧道中的应用[M].北京：北京铁道出版社，2011.

[4] 李文胜.综合地质超前预报在岩溶隧道施工中的应用[J].西部交通科技，2012(5)：49-53.

On application of advanced geological forecast in tunnel construction of active fault zones

Song Huang

(ChinaRailwayNo.3BureauGroupCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

Combining with the active fault zones of tunnel in some section along Dali-Ruili Railway, the paper adopts the comprehensive detecting measures including the geophysical prospecting, advanced hole detection, and deepening blast holes, undertakes the advanced geological forecasting analysis, and establishes the comprehensive forecasting system of the active fault zones, so as to have the control over the tunnel surrounding rocks.

active fault zone, tunnel, comprehensive detecting measure, advanced geological forecast

1009-6825(2017)07-0184-03

2016-12-21

宋 晃(1984- )，男，工程师

U456.33

A