综合地质预报技术在池黄高铁三姑尖三号隧道中的应用

薛明英

(中交路桥华北工程有限公司，北京 101113)

由于设计提供地质勘察资料准确性有限，隧道地质条件具有复杂性，多变性，隧道开挖后揭露的岩性常与图纸不符，经常遇到溶岩区、软弱破碎带、节理裂隙、断层、岩爆、突水突泥等地质灾害，给施工带来困难。目前尚无一种能解决所有地质问题的超前地质预报技术方法，因此在施工过程中需组合运用不同的地质预测、物理探测、钻孔探测等超前地质预报措施，综合分析各种预报资料，互相补充印证，对开挖掌子面前方围岩状况及不良地质做出精确预报，及时变更开挖方式及支护参数，调整施工方案，从而提高工效、缩短施工周期，避免灾害的发生或减轻灾害造成的损失，确保安全施工及环境生态保护。三姑尖三号隧道采用综合预报目的是为寻求最佳的预报组合方式，为后续其他隧道施工提供参考。

1 工程概况

池黄高铁三姑尖三号隧道全长924.9 m，桩号里程DK116+357(进洞)-DK115+432，目前掌子面里程DK116+231，已进尺126 m。根据钻探揭露，结合区域地质资料对比分析，按其成因和时代主要有：表层为第四系全更新统残坡积土，下伏基岩主要为寒武系下统荷塘组炭质泥岩和震旦系皮园村组硅岩；基岩区，深部岩层为弱风化，钻探未揭露。

2 综合地质预报技术

2.1 掌子面超前水平钻孔

在掌子面设计超前钻孔2孔，每孔设计深30 m，钻孔偏角0°，竖直角0°，目的是查清前方岩体破碎程度及富水情况。本隧道共进行了三次掌子面超前水平钻孔探测，里程范围分别为DK116+296-DK116+266、DK116+273-DK116+243和DK116+249-DK116+219，探测成果为：①DK116+296-DK116+266段、DK116+273-DK116+243段0～30 m范围内为弱风化炭质泥岩，地下水弱发育，局部有滴、渗水。②DK116+249-DK116+219段0～30 m范围内为弱风化炭质泥岩，地下水弱发育。综合解释结论：节理裂隙较发育～弱发育，岩体较完整，地下水弱发育。

2.2 TSP探测

TSP探测选择掌子里程DK116+284，探测范围120 m。2D和3D物理力学参数图及反射面解译图见图1。根据TSP探测得出以下解释成果：

图1 2D和3D物理力学参数及反射面解译图

(1)DK116+284-DK116+262段围岩，长22 m，该段围岩波速Vp2 118～2 431 m/s，Vs1 380～1 676 m/s；泊松比为0.21～0.26；静态杨氏模量1.4～2.2 GPa。该段纵波、横波速度值、泊松比、密度和静态杨氏模量值较为稳定，存在个别明显反射界面。

(2)DK116+262-DK116+246段围岩，长16 m，该段围岩波速Vp2 224～2 663 m/s，Vs1 331～1 446 m/s；泊松比为0.25～0.30；静态杨氏模量2.0～2.6 GPa。该段纵波、横波速度值较前值整体上升，并且泊松比、密度及静态杨氏模量等力学参数较前值整体稍微增高，且反射界面相对较少，如图1所示。

(3)DK116+246-DK116+164段围岩，长82 m，该段围岩波速Vp2 408～2 513 m/s，Vs1 419～1 434 m/s；泊松比为0.23～0.26；静态杨氏模量2.2～2.5 GPa。该段纵波、横波速度值较前值整体抬升，泊松比、密度及静态杨氏模量等力学参数也整体升高，反射界面相对较少。

具体预报成果为：①DK116+284-DK116+262段围岩完整性较当前掌子面情况基本一致，岩体较破碎，节理裂隙较发育，地下水弱发育。②DK116+262-DK116+246段围岩完整性情况较前段围岩情况稍微变好，节理裂隙较发育，岩体较破碎～较完整，地下水弱发育。③DK116+246-DK116+164段围岩情况稍微更好，节理裂隙较发育～弱发育，岩体较完整，地下水弱发育。综合解释结论：节理裂隙较发育～弱发育，岩体较完整，地下水弱发育。

2.3 地质雷达探测

地质雷达探测探测自DK116+334开始，每次探测范围30 m，相邻两次搭接5 m，以掌子里程DK116+279.4为例进行展示，测线布置如图2所示。

图2 地质雷达测线布置图

如图3所示，DK116+279.4-DK116+249.4段波形较为杂乱，反射波同相轴总体较错断，探测成果为：推测该段围岩为弱风化炭质泥岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，围岩稳定性一般，地下水弱发育，拱顶易掉块。综合解释结论：地下水弱发育,岩体较破碎。

图3 测线1和测线2地质雷达探测成果

2.4 高密度电阻法

物探范围：三姑尖3号隧道出口段DK116+307.6、DK116+297.6、DK116+287.6、DK116+277.6位置。共布置4条测线，测线总长度1 050 m。高密度电阻法测线详细情况如表1所示。实地位置利用1∶500 地形图，采用RTK定位。

表1 三姑尖 3 号隧道出口段物探(高密度电阻率法)测线布置

勘探深度满足洞身范围，本次物探工作的主要任务为：查明测区岩土分界、基岩风化分界的分布及展布情况，重点查明岩体完整性、覆盖层变化情况、岩体富水情况，从而为钻探成果的内插、外推和现场施工提供依据[1]。以DK116+307.6剖面L1-L1′高密度电阻率法物探解译图(如图4所示)为例，说明4条测线得出结果：

图4 高密度电阻法物探解译图

反演电阻率剖面图 L1-L1′显示，DK116+307.6隧道洞身范围岩性主要为弱风化炭质泥岩，隧道顶板以上全风化层约 7.2 m，强风化层约 10.6 m，弱风化层约 12.4 m。

反演电阻率剖面图 L2-L2′显示，DK116+297.6隧道洞身范围岩性主要为弱风化炭质泥岩，隧道顶板以上全风化层约 9.6 m，强风化层约 7.9 m，弱风化层约 13.6 m。

反演电阻率剖面图 L3-L3′显示，DK116+287.6隧道洞身范围岩性主要为弱风化炭质泥岩，隧道顶板以上全风化层约 7.2 m，强风化层约 10.2 m，弱风化层约 21.7 m。

反演电阻率剖面图 L4-L4′显示，DK116+277.6隧道洞身范围岩性主要为弱风化炭质泥岩，隧道顶板以上全风化层约 6.6 m，强风化层约 16.1 m，弱风化层约 23.0 m。

综合解释结论：地下水弱发育，岩体较破碎。

2.5 加深炮孔法

掌子面加深炮孔位置为上台阶左拱顶、右拱顶、中心距离拱顶2.5 m处，炮孔长度6 m。表2为DK116+240-DK116+234段加深炮孔现场记录，记录此断面钻进均匀，无卡钻，无水，钻渣为黑色岩粉，母岩为炭质泥岩[2-3]。

表2 DK116+240掌子面加深炮孔记录

2.6 掌子面地质素描

每隔3 m进行一次掌子面地质素描，掌子面DK116+237位于其他各项超前地质预报重叠桩号，且为目前最新开挖面，对前项各类超前地质预报效果可进行验证。围岩为寒武系炭质泥岩，灰黑色，弱风化，原岩结构未破坏，节理裂隙发育，岩体较破碎，围岩整体性较好，掌子面围岩整体湿润。

原图纸设计此桩号断面地质描述为：危岩，落石高发区。岩性为炭质泥岩，岩体破碎，局部分部有硅质岩，岩质硬，岩体稳定性差，强富水性，支护类型为Va，三台阶临时仰拱法，I型超前小导管。对比发现地质素描与原设计出入较大。

综合解释结论：无原图纸描述强富水地段，围岩整体性较好，DK116+237-DK116+207段围岩由V级变更为IV级。

3 预报成果对比应用

可综合分析既定设计的长距离、中长距离、短距离超前地质预报组合的探测结果，可以较真实的认识隧道开挖后掌子面的围岩等级。2021年01月08日，经业主及设计院等相关单位对三姑尖三号隧道DK116+237段掌子面进行现场踏勘，判定洞身围岩岩体完整，地下水弱发育，掌子面直立性好。超前地质预报显示前方30 m与掌子面基本一致。据此对比原设计，DK116+237-DK116+207段围岩等级由V级变更为IV级，开挖工法由三台阶法调整为全断面法，取消II类超前小导管，节约了投资和工期。

4 结束语

由于现阶段国内外超前地质预报技术有限，目前尚无一种能够解决所有地质预报问题的方法，同时预报环境受到的干扰因素太多，各种物探对环境的要求也不同，因此面对复杂多变的地质区域，隧道开挖需采用多种不同的超前地质预报方法，对测得的资料进行综合分析，互相补充印证，以提高预报的准确率。