基于三维超前地质预报的瓦斯隧道穿越破碎段施工技术

温 辉

(中铁十二局集团第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

由于我国中西部地区山区地质结构特殊和复杂的特点，山区公路隧道的需求与日俱增。在大量的水平层状围岩隧道中断层破碎带等是隧道工程中经常遇到的一种不良地质，经过综合研究发现，几乎所有的山岭隧道都受到过不良地质段的影响。

TSP技术起于瑞士，引入我国后被广泛运用于隧道施工中，基于地震波的反射原理，利用地震波在具有波阻抗差异的岩体中反射回来的信息对不良地质体进行预报[1-2]。尖山岭隧道[3]在施工过程中通过三维地震波层析成像技术对隧道工作面前方工程地质与水文地质条件进行超前预报；娄国充等[4]利用人为手段制造震源，进而形成了一种定向三维超前地质预报技术，能够对开挖工作面前方围岩情况进行预判；孙志涛等[5]以某铁路隧道为工程依托，利用三维地质预报系统，结合原位试验等手段对预报可靠程度进行了分析。三维地质预报技术是一种创新的超前地质预报技术手段，可更直观地对掌子面前方围岩进行预报，从而指导施工。

瓦斯隧道施工极易发生安全事故，张晓利等[6]针对瓦斯气体的性质及危害提出了安全风险控制措施；吴平[7]对瓦斯隧道穿越采空区进行风险分析，并总结了安全距离的确定方法；孙意[8]对成贵铁路四川红层段瓦斯特征进行分析，并对勘察阶段隧道瓦斯工区类别划分提出建议；龙港等[9]采用超前钻探的方式对掌子面前方煤层进行预测，并利用钻孔进行瓦斯抽放以保证施工安全；王林峰等[10]通过正交实验对瓦斯隧道通风方案进行了优化。

针对隧道穿越断层破碎带施工，汶文钊[11]依托北天山隧道，通过帷幕注浆加固围岩并施作大管棚作为超前支护，采用台阶法开挖，保证结构的安全；商崇伦[12]依托齐岳山隧道，提出采用超前预注浆和大管棚的方法加固富水断层破碎带围岩；卢庆钊[13]通过数值模拟，针对隧道穿越断层破碎带提出了一套联合施工方法。

由此可见，三维超前地质预报技术手段能够准确、有效地对开挖工作面前方岩土体特点进行预测，基于预报信息形成三维地层预报模型，能够更直观地指导隧道穿越瓦斯、断层破碎带施工。

2 工程背景

仁寿至屏山新市公路位于四川南部，眉山市、乐山市及宜宾市沿线坐落，主线长158.029 km，马边支线长43.799 km，路线全长201.828 km。仁寿经沐川至屏山新市段高速公路五指山隧道为曲线隧道，进口(仁寿)段呈近东西向，向洞身内逐渐过渡为南南西向，该方位一直延续至出口(新市)端。隧道按双洞双向四车道80 km/h高速公路标准设计，主洞建筑限界净宽为10.25 m，限界高度5 m。

五指山隧道左右线全长均接近5 km，左线起讫里程为 ZK132＋910～ZK137＋750，包含约83.1%为Ⅳ级围岩段、其余为Ⅴ级围岩段。右线起讫里程为K132＋883～K137＋750，包含明洞 5 m、约82.6%为Ⅳ级围岩段、其余为Ⅴ级围岩段。左右线洞门形式均采用端墙式洞门。

2.1 工程地质

五指山隧址区位于四川西南缘向云贵高原的过渡带上，受岩性和构造控制，形成陡峭相间连续变化地形。隧址区内老君山为地形最高点，高程达到1 790 m，最低点的中都河高程约420 m，相对高差约为1 360 m，具有山高谷深坡陡的特点。为侵蚀、溶蚀构造高中山地貌。

隧道穿越整个五指山背斜，进口端主要地层为飞仙关组岩层陡倾，产状多为50～90°55°～ 80°，在隧道进口段～隧道中部岩层产状近水平～缓倾变化，地层由老至新按正常层序产出，依次为二叠系的玄武岩、宣威组、飞仙关组、铜街子组、嘉陵江组、雷口坡组，其产状为285°5°～26°，总体来看岩层产状变化不大，地层平缓，但该箱状背斜中部岩层亦有起伏，褶曲发育。

2.2 水文地质

五指山坐落在长江上游，标段工区位于岷江水系和金沙江水系之间。岷江水量较大，主要河流包括通江河、芒溪河、清水溪、沐溪。全区水域分布集中，鲜少分支，分支水量较小，路径较短，河床深度大，宽度小，流量受季节影响大。

2.3 施工重难点

五指山隧道穿越煤系地层以及破碎段，不良地质施工存在诸多难点。煤系地层的瓦斯环境对施工组织提出较高要求，洞内用火及机械设备均需进行特殊处理，对施工人员的管理也需进行调整。破碎段岩土体完整性差，隧道穿越破碎段时易发生坍塌、掉块等危险，严重威胁施工人员安全，影响施工进度。

3 超前地质预报

3.1 使用仪器

探测使用TSP-RF系统硬件主要由地震信号采集器、地震信号记录器、检波器及震源等几部分组成。

3.2 探测原理

“TSP-RF”三维超前地质预报是基于不同的震源、不同极化反射地震波来记录的。弹性波记录系统依赖于分布在隧道结构各个位置的检波器。通过检波器形成定向覆盖锥形雷达，再进一步还原成一个在面部的中心点。在多个振源位置连续激发情况下，记录波场矢量以形成总结性参数化三维图像。该参数化图像可以协助判别涌水、冒顶、含水区域及破碎带等隧道前方危险地质情况。本次测试中探测系统布置采用图1方式。

图1 探测系统布置方式

3.3 掌子面地质情况

掌子面桩号为ZK136＋628，为三台阶开挖法，掌子面围岩主要为细砂岩、粉砂质泥岩，碎裂状结构。地层近水平状，略向掌子面右侧倾斜，倾角约10°；强风化，强度中等 ～较低，敲击声哑，总体为软质岩体；节理裂隙发育，部分张开，层间结合差，完整性差，开挖扰动后呈碎块状，拱部及拱顶易掉块或坍塌。掌子面干燥，无明显渗漏水。现场判断掌子面附近围岩级别为Ⅴ级，设计围岩级别为Ⅳ级。

3.4 探测结果分析

通过对TSP测试结果的总结和归纳，同时参考工作面前方岩土体表征特点，对工作面前方120 m范围内岩土体分布特点进行描绘和完善，并建立破碎三维预测模型如图2所示。

图2 破碎三维模型

预报段120 m(ZK136＋628～ZK136＋748)范围内，推断围岩级别有Ⅴ、Ⅳ弱。围岩主要为细砂岩、粉砂质泥岩，局部夹炭质页岩、煤层(煤线)，围岩强度总体较低，层间结合差，易掉块或坍塌。地下水弱发育，受降雨和地表水文环境影响较大。推断该段围岩整体强度较低，岩层的节理裂隙发育，围岩风化破碎程度高，表现为破碎～较破碎，易掉块或坍塌，地下裂隙水局部较发育，建议选择合适的处理方案，避免涌突水现象发生。

4 不良地质段施工技术

4.1 断层破碎带施工

隧址区多处断层，受区域性断裂影响，断层发育相对集中。断层破碎带岩体呈碎石压碎状结构，断层破碎带内节理裂隙发育，岩石破碎，完整性差，破碎带内部分节理裂隙含水，但罕见成洞现象，开挖过程引起掉块及坍塌风险较大。断层破碎带周围岩土体分布有一定程度的裂隙，不具备较好完整性，地下水可沿裂隙分布，这部分岩土体中开挖隧道应警惕洞顶掉块。针对断层破碎带及周围受其影响岩体破碎、裂隙中有地下水的特点，并采取如下技术措施:

(1)采用地质超前预报

采用TSP203型地质探测仪对断层破碎带区域围岩情况进行探测。以获取开挖工作面前方岩土体中节理裂隙的分布信息。

(2)做好断层地段施工的防排水

根据断层破碎带范围内的水文条件，判断地下水补给路径，从而采取针对性措施。在开挖过程中应向开挖工作面前方按照要求进行超前钻孔，钻孔数量不少于2个，钻凿深度不少于4 m，从而对断层承压水进行探测。随着开挖进行，同时施作排水设施，对工作面围岩及结构进行防排水处理，随时查看围岩条件，以便及时加固。

(3)断层破碎带地段施工措施

①对于围岩条件较好的区段，上部台阶“门”字形开挖，下部台阶先左后右紧随其上，严格控制爆破振动等干扰，选择预裂光面爆破。对于围岩条件较差的区域，考虑到围岩完整性差及地下水的影响，可采用三台阶七步流水开挖法开挖。

②在断层带区域，应调整各工序施工进尺，使工序与工序之间更紧凑，从而支护结构能够尽快封闭成环，防止围岩扰动区域进一步扩大。

③对开挖施工技术进行调整，调整爆破参数，以达到减少扰动的目的。

④控制开挖进尺，避免一次性大面积挖方，根据监控数据实时反馈调整支护方案，及时施作仰拱，使支护结构闭合成环，形成更合理的受力结构。施工过程中加强对围岩及结构的监控，并以此为依据及时对支护方案和施工组织进行优化调整。

⑤开挖时加大预留变形量，预留径向变形量加大为20 cm。

⑥初期支护采用C25喷射混凝土，钢架采用20a钢架构成强大的初期支护体系，二次衬砌采用钢筋混凝土。支护结构尽早闭合。根据监控量测情况，在围岩及初期支护变形趋于稳定后进行二次衬砌施作，作为安全储备。

⑦超前支护采用双层ϕ42超前小导管对开挖面前方土体进行加固，初期支护采用钢拱架、网喷混凝土，综合多种支护手段，加强支护体系抗变形能力。

⑧开挖后立即施作喷混对新裸露的岩土体临空面进行封闭，对于极端围岩条件，及时施作仰拱或临时仰拱以促使支护封闭成环，形成优势承载结构。

⑨加强监控量测频率，根据监控数据反馈分析，确定有效判据指标，监控结构承载工作情况，进一步诊断支护结构和岩土体力学行为特征，从而对支护方案进行针对性更新，以确保结构安全有效。

4.2 瓦斯段施工

针对隧道中瓦斯区域，采用综合预报方法，以地质分析为基础，采用超前钻探和瓦斯检测，每个掌子面不小于3个超前钻孔，以确认前方瓦斯浓度及压力。

在隧道内瓦斯监控方面，采用人工与自动相结合的监控思路。一方面指定专员使用便携设备定时对洞内气体情况进行检测和记录；另一方面，在各个开挖工作面台车、二衬台车上及通风系统中布置瓦斯自动探头，探头可随台车前进，伴随施工过程全天候全天时监控洞内气体情况，并将数据传输到瓦斯测报中心，与人工检测数据进行对比修正，确保瓦斯监控的可靠性。

严格进行洞内明火使用审批，对有明火工作需求的作业区域前后20 m范围内风流加强监测频率，确保瓦斯浓度低于0.5%，谨防监测区域内拱顶、结构背部等可能积存瓦斯的部位，确保排除所有隐患。设立专职对用火区域进行管理，避免残火危害。

瓦斯检测人员对洞内气体情况进行定时检测，并及时上报，尤其对断面变化区域、表面不光滑位置等处，警惕瓦斯气体积存。

5 监控量测综合分析

为监测初期支护受力及围岩内部情况，对预报段ZK136＋628～ZK136＋748上台阶掌子面桩号ZK136＋725位置处上、下台阶初期支护及围岩进行监测，监控量测断面布置如图3所示。

图3 监控量测断面仪器布置示意

现场监控量测结果显示，拱顶围岩接触压力相对较大，约达0.089 MPa。拱顶混凝土应力较大，约达-11.22 MPa。钢支撑内力在拱顶位置受力较大，约达-29.40 kN。右边墙测点2锚杆轴力相对较大，受力位置在围岩内约2 m左右。右边墙围岩内部位移相对较大，达0.19 cm。

五指山隧道左线ZK136＋725选测断面拱顶围岩接触压力相对较大，拱顶喷射混凝土应力较大，拱顶钢支撑内力较大，右边墙锚杆轴力、围岩内部位移相对较大，应时常关注位移或应力较大部位，必要时需补打系统锚杆和锁脚锚杆，补喷混凝土。

6 结论

“TSP-RF”三维超前地质预报系统预报方法能够有效预测掌子面前方围岩情况，形象直观3D模型指导了隧道施工。五指山隧道水平岩层瓦斯段施工通过该预测方法针对性进行不良地质段施工方案调整，有效控制围岩变形和位移，初期支护变形得到有效控制，安全通过破碎段、瓦斯段等不良地质段施工。此超前地质预报方法及不良地质段施工方案可在类似隧道围岩施工中推广应用。