超前地质预报在隧道施工中的应用研究

金 东

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

1 工程概况

东沟隧道位于辽宁省凌源市野岱沟村附近,呈东西向展布,设计2条分离式单行曲线隧道,设计洞身宽10.75m,高7.5m,左线起讫里程桩号ZK21+560～ZK23+758,隧道长度2198m,右线起讫里程桩号K21+612～K23+780,隧道长度2168m,属长隧道。隧道区属低山地貌,地形较简单,两侧洞口处为坡积地貌,沟壑发育,凌源端洞口坡度较缓,绥中端洞口坡度略陡,凌源端采用墙式洞门,绥中端采用墙式洞门。

表1 隧道施工及预报进度统计表

2 检测方法

检测主要采用地质调查法、TSP和地质雷达法[1]。

地质调查法通过对掌子面及周边开挖揭示的地层岩性、地质构造(岩层、结构面、断层等)、地下水等情况进行描述并绘制成图表,运用地质分析法、作图法等定性分析掌子面前方地质情况及潜在风险。

TSP是一种多波多分量地震反射勘探方法,基于回声探测原理,与其他地震反射方法近似。在上台阶左边墙处布设了24个锤击点,1个检波点,第1锤距离掌子面2m,锤间距0.5m,最小偏移距5m,布置示意图见图1。

图1 TSP探测现场布置示意图

探地雷达法(Ground Penetrating Radar,简称GPR)又称地质雷达法、透地雷达法,是利用高频(106～109Hz)脉冲电磁电波确定地下介质分布的方法。结合现场实际情况,掌子面前方超前地质预报测线布置形式如图2所示。

图2 ZK21+680.4掌子面测线布置示意图

3 检测数据分析

3.1 掌子面地质调查法

掌子面岩性为黄褐色强风化砾岩,原岩结构大部分被破坏,矿物成分已显著变化,呈碎屑结构,层状构造,泥质胶结,单层厚度0.8～1.0m。砾石呈浑圆状—次棱角状,直径1.0～5.0mm,分选性和磨圆度较好。砾石成分为花岗岩、火山岩等。产状290°∠5°,普遍见黄褐色铁质污染薄膜。锤击声哑,岩质较软。结构面极发育,结合程度差,岩体极破碎,呈散体状结构,易松弛掉块。节理裂隙较为发育,主要有2组:J1节理组由长0.5～1.5m,间距1.0～1.5m的节理组成,总体产状50°∠30°;J2节理组由长0.5～2.0m,间距1.0～1.5m的节理组成,总体产状270°∠45°。30条/m,张开度1.0～5.0mm,充填物为泥质。掌子面干燥无水,地下水不丰富。根据《铁路隧道超前地质预报技术规程》(Q/CR 9217—2015)中表E.2.1-1,确定地下水状态分级为Ⅰ级。

3.2 TSP法

此次ZK21+680.4～ZK21+780.4(100m)探测范围内的分析结果见表2。

表2 测试分析结果表

预报结论与该段设计围岩情况基本一致,其中ZK21+690～ZK21+700.4推测可能存在破碎带,围岩稳定性差,施工中应注意掉块甚至塌落。

3.3 地质雷达法

根据地质雷达采集的数据进行处理分析,结果见图3和图4。

图3 ZK21+680.4～ZK21+710.4段1#地质雷达图像(左→右)

图4 ZK21+680.4～ZK21+710.4段2#地质雷达图像(左→右)

ZK21+680.4～ZK21+710.4区段预报段围岩主要为黄褐色强风化砾岩。ZK21+680.4～ZK21+690段存在直达波以及振幅较高,频率较低,相位稳定,同相轴不连续的雷达反射波信号;ZK21+690～ZK21+700.4段雷达反射波信号振幅显著增强,相位稳定,同相轴连续,存在较强反射信号。ZK21+700～ZK21+710.4段雷达反射波信号显著增强,相位变化较大,同相轴不连续。2#测线该段雷达波型较1#测线该段雷达波型振幅更大,波形更杂乱[2]。

因此,推测ZK21+680.4～ZK21+710.4区段整体围岩节理裂隙发育,岩体极破碎,岩质较软,围岩稳定性较差。其中,ZK21+690～ZK21+700.4区段推测可能存在破碎带,围岩稳定性差,应注意开挖时引起的掉块甚至塌落。

4 现场实际开挖情况

原设计情况:东沟隧道进口左线ZK21+690～ZK21+700段原设计围岩主要为③-3中风化砾岩。该岩呈灰白色,碎屑、层状结构,泥质胶结,主要矿物成分为石英、长石,节理裂隙发育;地下水以碎屑岩节理裂隙水为主,水量随大气降水量及节理裂隙的变化而变化。该段原设计为Ⅳ级围岩,开挖工法为台阶法,衬砌类型为ZⅣ3。

施工至ZK21+690处揭示掌子面围岩为粉质粘土,拱顶掉块,左侧有裂隙水发育,围岩稳定性差。综合超前地质预报检测报告判断该段围岩为Ⅴ级围岩,与现场掌子面情况基本相符。现已将东沟隧道进口左线ZK21+690～ZK21+700段围岩级别调整为Ⅴ级,开挖工法采用台阶预留核心土法,采用ZⅤq1衬砌类型,超前支护采用φ50超前小导管,工程量相应调整。

5 结论及建议

5.1 结论

综合分析工程地质勘察资料以及掌子面地质观察、地表补充地质调查和地质雷达测试结果,得出结论如下:通过TSP和地质雷达等超前地质预报,成功预测出Ⅳ级围岩中存在破碎带,及时变更设计,避免安全事故发生,说明超前地质预报对隧道施工具有指导意义。施工期间,仍需加强监测和地质超前预报,坚持动态设计,动态施工,及时根据预报结果调整施工工艺,采取超前预支护,保障施工安全。

5.2 建议

(1) 该区段节理裂隙较为发育,岩体层间结合能力较差,受拱顶岩体自重及施工扰动影响,拱顶易掉块、坍塌,开挖过程中应优先采用对围岩扰动较小的方式开挖,缩短开挖进尺,并及时加强超前支护。

(2)建议ZK21+690～ZK21+700.4区段采用弱爆破、短进尺的方式掘进,迅速封闭岩面,加强初期支护,及时跟进二次衬砌,并采取超前措施进行加固,防范突发事故。

(3)建议围岩级别见表3。

表3 建议围岩级别