隧道超前地质预报方法针对性选定及组合应用研究.pdf

·隧道／地下工程·收稿日期：２０１６０７０６基金项目：中铁十九局集团第七工程有限公司科技研究开发计划项目（１３-２Ａ）隧道超前地质预报方法针对性选定及组合应用研究杨新民（中铁十九局集团第七工程有限公司广东珠海５１９０２０）摘要随着我国近年来基础设施建设的飞速发展，铁路、公路、水电、核电隧道埋深及长度越来越大，地质条件越来越复杂，大量的工程实践表明，隧道施工过程中随时面临着突发地质变化的影响。隧道超前地质预报是保证隧道施工安全的重要环节和重要技术手段，但是面临多种多样的隧道超前地质预报方法，如何能有针对性选定方法，并且进行合理化组合可发挥高效作用是现阶段研究重点，本文通过成兰铁路极高风险的跃龙门隧道超前地质预报工作对针对性选定方法和组合应用进行阐述和分析研究，可为今后隧道施工在超前地质预报工作中提供有益借鉴。关键词超前地质预报不良地质灾害针对性组合应用中图分类号Ｕ４５２．１１文献标识码Ａ文章编号１００９４５３９（２０１６）０９０００５０４ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴａｒｇｅｔｅｄＳｅｌｅｃｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＦｏｒｅｃａｓｔｉｎＴｕｎｎｅｌａｎｄＩｔｓＣｏｍｂｉｎｅｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＹａｎｇＸｉｎｍｉｎ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１９ｔｈＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ７ｔｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，ＺｈｕｈａｉＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１９０２０，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａ’ｓｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｂｕｒｉｅｄｄｅｐｔｈａｎｄｌｅｎｇｔｈｏｆｒａｉｌｗａｙ，ｈｉｇｈｗａｙ，ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒａｎｄｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｔｕｎｎｅｌｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｌｏｎｇｅｒ，ａｎｄｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｍｏｒｅｃｏｍｐｌｅｘ．Ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｓｓｈｏｗｔｈａｔｓｕｄｄｅｎｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｈａｎｇｅｓｗｏｕｌｄｂｅｃａｕｓｅｄａｔａｎｙｔｉｍｅｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｕｎｎｅｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｉｎｋａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅａｎｓｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅ-ｔｙｏｆｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｆａｃｅｄｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｋｉｎｄｓｏｆｔｕｎｎｅｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｈｏｗｔｏｂｅａｂｌｅｔｏｈａｖｅａｔａｒｇｅｔｅｄａｐｐｒｏａｃｈａｎｄｃａｒｒｙｏｎａｐｒｏｐｅｒｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｔｏｐｌａｙａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒｏｌｅａｒｅｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓｅｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｘ-ｐｏｕｎｄｅｄａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｏｎｔｈｅｔａｒｇｅｔｅｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｉｔｓｃｏｍｂｉｎｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈｉｇｈ-ｒｉｓｋＹｕｅｌｏｎｇｍｅｎＴｕｎｎｅｌｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｉｎＣｈｅｎｇｄｕ-ＬａｎｚｈｏｕＲａｉｌｗａｙ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅａｕｓｅｆｕｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒａｄｖａｎｃｅｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｆｕｔｕｒｅｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓａｄｖａｎｃｅｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｆｏｒｅｃａｓｔ；ｂａｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｈａｚａｒｄｓ；ｐｅｒｔｉｎｅｎｃｅ；ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ１工程概况成兰铁路跃龙门隧道位于四川省绵阳市安县境内，采用双线分修，最大线间距６０ｍ，最小间距３０ｍ。隧道左线全长１９９８１ｍ，右线全长２００４２ｍ。隧道穿越涪江水系，越岭为穿越涪江水系上游土门河（湔江）与雎水河（罗江）的分水岭。隧道本身地质构造极其复杂，穿越多条断裂带、断层，主要包括：龙门山前山断裂带、太平场转向斜构造带、龙门山中央断裂带、高川坪活动断层、广通坝断层、千佛山断层以及土主庙断层等，大变形、突泥突水、岩爆等不可预见性的地质灾害发生的机率较高。且受５·１２地震影响，地质结构发生巨大变化，无可借鉴的地质资料，只能通过边掘进边探知，因此隧道超５铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０９）·隧道／地下工程·前地质预测预报工作尤显重要。２隧道超前地质预报工作的发展世界各国为扭转隧道施工过程中对前方地质情况了解不清的被动局面，在２０世纪７０年代就陆续开展隧道地质预报工作。在召开的十几次专门的国际会议上，隧道超前地质预报一直受到高度重视，其对隧道施工的指导作用得到了国际同仁广泛的认可。我国２０世纪８０年代在京广线、大秦线等一些隧道的施工中，才陆续开始超前地质预报的研究和试验工作。通过对不同预测预报方法的应用和实践，取得了较为显著的效果［１－２］。３隧道超前地质预报方法针对性选定及组合应用３．１隧道超前地质预报方法选定的基本工作地质素描是超前地质预报基本工作，贯穿隧道开挖始终。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）、岩溶及充填物、地下水等情况的描述并绘制成图表，运用地质分析法、作图法等定性分析方法，推测掌子面前方地质情况及可能存在的风险［３－４］。地质素描的主要内容如下（见图１）：图１隧道地质素描展示（１）地层岩性。地层时代、层厚、物质成分、岩层产状、岩体切割程度、围岩等级等。（２）节理。节理产状、宽度、延伸程度、性质、充填物等的描述，通过绘制结构面平剖面分布图、节理玫瑰花图推断出节理面与断层、褶皱的关系。（３）断层。断层带物质组成、产状、延伸方向、破碎带宽度、导水性、破碎程度描述。（４）特殊地层。如含矿地层等单独素描。（５）隧道富水段涌水出水形态、位置、所处地层和构造部位、充填物情况、出水点的分布及水量情况等。３．２常用的超前地质预报方法［５］（１）超前地质预报常用的方法有地质调查法、超前钻探法、超前导坑预报法和物探法等。（２）超前地质预报可采用长距离预报、中长距离预报和短距离预报。３．３隧道超前地质预报方法选定根据不同隧道风险类型，可采用地质调查与地质勘探相结合、物探与钻探相结合、长短距离相结合、地面与地下相结合、超前导坑与主洞探测相结合的综合方法，同时应对各种方法预测预报结果综合分析，相互对比验证，以提高预报结果的准确性［６］。３．４隧道超前地质预报方法组合应用（１）隧道设有平行导坑、正洞超前导坑、线间距较小的两座隧道时，应充分利用平行导坑、正洞超前导坑、先行施工的隧道开展隧道超前地质预报工作。（２）改建或增建二线铁路隧道应在充分利用既有隧道工程地质资料及施工地质资料的基础上，结合改建及增建二线隧道与既有隧道的空间关系，比照新建铁路隧道的要求做好超前地质预报工作。地质调查法：全隧道实施。物探法。隧道地震波预报法（ＴＳＰ法）：可溶岩段、可溶岩与非可溶岩的接触带，分修左线和右线、辅助坑道，全段落实施；非可溶岩段隧道，按一线拉通实施。地质雷达方法、红外探测法：在ＴＳＰ揭示的可溶岩段、可溶岩与非可溶岩的接触带物探异常区，在可能发生涌突水的段落实施［７］，见图２、图３。图２ＴＳＰ法接触带探测图特征６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０９）·隧道／地下工程·图３地质雷达断层破碎带特征———超前钻探法：加深炮眼每循环实施；超前———钻孔在物探法揭示的严重的物探异常区实施。孔深小于３０ｍ的钻孔，在物探法揭示的严重的物探异常区，可溶岩段、可溶岩与非可溶岩的接触带实施；孔深８０ｍ钻孔，在活动断裂带实施。超前导坑法：根据结合隧道设计布置。硬质岩岩爆及软质岩大变形超前地质预报；预测存在硬质岩岩爆及软质岩大变形的隧道，采用水压致裂法，一个隧道布置２个点。每点布置孔深约４５ｍ的３个孔测试原始地应力，同时采取样品６～８组进行力学测试。根据地应力和样品测试，开展硬质岩岩爆及软质岩大变形预测分析。接触应力测试、围岩内部位移、松动圈的确定按照断面来考虑，与在原始地应力测试处，一个点不少于２个断面。４跃龙门隧道综合超前地质预报模式４．１跃龙门隧道岩溶发育段落综合超前地质预报模式根据相关文件精神，实现超前地质预报各工序良好衔结。目前我国超前地质预报采用的模式较多为：超前地质预报设计由设计院完成。跃龙门隧道岩溶发育段落属于极高风险隧道，在实施过程中地质调查法、超前钻探法、超前导坑法由承担隧道施工的施工单位实施，物探法在监理单位的监督下，由第三方实施。设计院综合各种超前地质预报资料，对前方地质条件进行综合判断，并提出前方超前预报具体实施方案［８］。４．２跃龙门隧道预报结果综合分析首先应以地质调查为基础，根据跃龙门隧道地质情况确定预报主要目的，进行技术经济比较，选择针对性强、适用性高的方法，采用一种或几种方法的组合，相互印证以达到预报准确、费用合理、方法简便的目标。对重大物探异常地段应加强钻探验证［９］。针对跃龙门隧道地处汶川地震带，震后地质情况不明、变化大等特点，应利用多种手段综合预报。跃龙门隧道超前地质预报综合分析技术主要应用于岩溶富水段区域，在下穿高川河区段采用红外探水、地质雷达、ＴＳＰ法、瞬变电磁法四种方法，根据不同地段预报对象的地质特点综合预报。“同时在该段首次采用了由山东大学研发的隧”道施工含水构造激发极化定量超前地质预报方法，为多同性源阵列激发极化超前探测新方法，并对孔中阵列激发极化观测模式进行探讨，以含水构造的三维反演成像与水量预测的相关理论、方法为目标内容，并引入约束联合反演思想，以基于约束联合反演的综合超前探测方法为结合点，形成多同性源阵列激发极化法隧道含水构造超前探测综合定量识别方法，在现场工程中得到应用，其探测范围为纵向３０～３５ｍ，截面范围为隧道开挖轮廓线１５ｍ，见图４、图５。图４激发极化三维成像图５隧道超前探测工作方式示意继而通过富水区域的定位定量，通过超前水平钻进行精确钻探验证，同时采取钻孔泄压，准确探明前方富水区域，并且通过泄水将风险降低；根据超前地质预报方法对比分析，有效距离范围为３０ｍ范围内效果最佳，且可通过超前水平钻进行进一步７铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０９）·隧道／地下工程·图６隧道超前水平钻探进行精确定位探水作业“验证探水，形成综合预报、精确定位、风险”判识的超前地质预报综合分析技术，见图６。５隧道超前地质预报方法的发展方向（１）隧道超前地质预报是一门需要不断完善的技术，工作中应积极采用新技术、新设备、新方法，不断总结成功的经验和分析失败的教训，提高超前地质预报技术水平［１０］。（２）升级硬件设备，如长距离超前钻探设备的性能、效率和物探设备，完善处理软件，提高预报精度。今后的超前地质预报应该对设备进行升级改造，不断提高精度和效率。同时应不断探索新的方法、手段和研发新的设备［１１］。（３）通过隧道施工过程中的实际地质情况揭示，结合多种预报方法的判定结果，尤其是仪器判定结果，不断积累经验，总结形成对不同地质情况的判定标准，从而实现超前地质预报由原来的定性向定量或半定量发展的目标［１２］。６结束语由中铁十九局集团有限公司承建的新建成兰铁路ＣＬＺＱ-５标工程，跃龙门隧道不良地质条件的“多样化和高风险化，加之受到０８”年四川特大地震影响后的地质大变化，在施工中项目严抓超前地质预报工作，通过科学管理、积极推动、优化组织，通过对现有超前地质预报方法的组合优化应用，充分突出了预报方法的优点组合，并且规避了单种方法的局限性，通过施工现场超前地质预报应用效果对比，具有理论研究和实践效果分析的价值，可为长大隧道施工提供工程借鉴。参考文献［１］舒森，王树栋．隧道综合超前地质预报方法及应用［Ｊ］．铁道勘察，２０１０，３６（４）：８０－８４．［２］朱颖．强化工程风险设计理念确保重点隧道工程安全［Ｊ］．现代隧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