黄新连

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063)

超前地质预报作为隧道等地下工程规避施工风险,保证施工和运营安全的一项重要工程措施,在各类地下工程中得到了广泛的应用。笔者通过宜万铁路34座复杂岩溶隧道近6年超前预报工作的经验总结,对以下一些问题进行了探讨。

1 超前地质预报是隧道勘察阶段综合勘探在施工阶段的延续

复杂隧道有可能引发大型地质灾害不良地质体的空间位置和规模,需要采取超前预报的措施在工程揭示前进行准确探测,以达到规避施工风险的目的。因此,超前地质预报可以定义为复杂隧道的工程地质综合勘探,在施工阶段和工程施工场地条件下的延续,用以解决地面勘察阶段由于技术手段、地形条件限制而不能解决或达不到设计要求的工程地质问题。

超前预报必须在既有勘探资料的基础上进行。一般都应该根据地面勘探资料对隧道进行工程风险级别划分。宜万铁路是将复杂岩溶隧道的风险等级划分为A、B、C三个等级[1-5],把区域性的导水或贮水构造、岩溶发育区段、重大物探异常等位置划归为A级地段,作为超前预报的重点,进行综合超前探测；通过综合分析后认为不存在施工风险的地段归为C级,除了正常的地质素描外不进行超前探测工作；对介于A、C之间的B级地段,则根据地面勘探资料和施工过程中的地质变化情况,进行相应的超前探测工作[1,3]。

2 超前预报的工作内容及要求

超前预报的目的是要提前发现工作面前方或隧道周边有可能引起地质灾害不良地质体的位置和规模,对可能引发地质灾害的程度进行预警。

2.1 地质素描

地质素描是超前预报的一项基础资料收集工作,主要通过对工作面及周边的围岩岩性、岩层产状、地质构造、节理裂隙、结构面和地下水等情况的描述,结合其他超前预报资料和地面勘察资料,推测工作面前方围岩情况的改变[1,5]。

2.2 工作面上的超前探测

工作面上的超前探测是地质超前预报的主体,物探和钻探是超前探测的主要手段,用于探测工作面稳定岩盘[3]前方溶洞、断层和含水裂隙的具体位置,水量水压的大小,推测其对施工安全的影响,为相应的应急预案制定提供资料。

2.3 水文观测

复杂岩溶隧道施工,高压充水溶洞或地下暗河造成的突水突泥是最主要的安全隐患。因此,应在施工过程中进行水文观测,探查研究地下水或地下暗河与隧道中突涌水点之间的关系[6],并通过长期的水文观测掌握隧道涌水量和水压力随季节的变化规律及其在不同强度暴雨过程中的滞后和延迟情况,建立复杂岩溶隧道的突涌水模式,预测可能发生的灾害性突涌水的时间和空间。

2.4 隧底及周边隐伏不良地质体的探测

对于复杂的岩溶隧道,隧底及周边一定深度范围内的隐伏岩溶或其他不良地质体有可能在工后或运营期间形成突发性地质灾害,应在线下主体工程完成前及时发现并进行必要的处理,才能保证隧道工后工程和运营期间的安全。图1是宜万铁路长鹰坝隧道在隧道主体工程完工后通过对隧底及周边探测发现的隧底大型隐伏溶洞[4]。

图1 长鹰坝隧道隧底溶洞DK238+800横断面

3 超前预报中应注意的几个问题

通过宜万铁路34座高风险岩溶隧道长达近6年的超前预报工作,我们认为以下一些问题值得注意和商讨。

3.1 超前预报应针对的主要地质问题

首先,超前预报只应用于复杂隧道的风险地段,并针对具体的地质问题进行,忌讳没有重点的全面采用,才能在规避工程风险的同时保证工程进度,降低工程造价。超前地质预报主要解决3个方面的地质问题[7]：

①对施工前方具有大规模突水突泥地质灾害不良地质体的规模和位置进行探测,并对有可能形成的地质灾害进行预警,主要针对区域性的导水、伫水构造和位于地下水水平循环带中的大型溶洞。图2为宜万铁路别岩槽隧道在DK406+422处揭示的大型溶洞,溶洞揭示时的瞬间突水达30 km3。

②在施工揭示大型不良地质体后寻找可以绕行通过的地段。图3为宜万铁路云雾山隧道在DK247+560揭示大型溶洞后,根据超前预报资料确定的左绕方案,顺利地通过溶洞地段,为继续掘进和溶洞整治赢得了时间。

图2 别岩槽+422突水后的溶腔实测横断面

图3 DK247+562～DK247+445段溶腔平面形态

③要查明隧底和周边的大型隐伏不良地质体(如图1),保证隧道的后期施工和运营安全。

3.2 超前预报应采用综合探测手段

在目前的技术条件下,超前预报的主要探测手段是物探和钻探。物探是一种间接的探测手段,探测效果受到场地条件、施工环境和方法本身多解性的影响及分辨率的限制；而钻探由于需要长时间占用工作面而不能大量采用,限制了其发现不良地质体的能力；这就需要采取综合的超前探测手段,才能保证既能准确发现可以造成地质灾害的不良地质体,又尽可能少的占用工作面。在宜万铁路的超前预报工作中,通过不断的总结,得出了物探与钻探相结合、长距离探测与短距离探测相结合的综合探测方法[7],保证了复杂岩溶隧道的施工安全。其中长距离探测的物探方法主要是地震反射波法,发现了施工中揭示的30%的不良地质体；短距离探测方法主要为超长炮孔,约60%的不良地质体被其提前发现。

图4 不同震源在硬岩上击发所形成的功率谱

3.3 地震反射波法的分辨率

地质雷达受限于隧道工作面的场地条件,且探测距离短。目前,能用于隧道超前预报、并能根据时距关系进行定量解释的方法只有地震反射波法。而地震反射法的分辨率受限于地震波在地层中的传播速度和震源在岩体上击发的振动频带,图4是不同的激振方式在硬岩上击发所形成的功率谱,其中图4(a)为炸药爆炸的功率谱,图4(b)为锤击击发的功率谱,图4(c)为超磁震源击发的功率谱[4]。从图4中可发现,超磁震源击发的频带宽度最大,频带上限达到600 Hz左右,炸药和锤击击发的频带宽度近似。以超磁震源为例,取600 Hz的频带上限,假定硬岩的弹性波速度为5 km/s,则根据取样定理计算出地震反射法的最高分辨率应为2.1 m。也就是说,采用地震反射法进行超前探测,能被其发现的不良地质体规模至少在2 m左右[8-10]。

3.4 超前预报结果不能作为隧道围岩变更的依据

在隧道超前预报工作中,无论是施工方还是建设方都希望能根据超前预报的结果进行隧道围岩的变更,就目前的超前预报技术水平来说,这一要求是不现实的。应该说钻探结果由于其直观性,可以作为围岩变更的依据,但实际操作过程中,为了尽可能少的占用工作面,除特殊情况外,都是采用不取芯钻探,导致钻探结果不能对前方围岩变化情况做出直接判断。弹性波速度参数虽然与岩体的力学特征有直接的关系,可以根据速度参数划分岩体的围岩级别,但反射法通过反演计算得出的弹性波速度不是岩体的真速度,这是因为在施工过程中,为了隧道壁的稳定和安全,一般都采用了支撑和挂网喷护等措施,这时所接收到的地震波初至,不是震源到拾震器间的直达波,而是沿支撑面滑行的折射波。在宜万铁路的大型溶洞充填物中,所测得的直达波速度都达到了6～7 km/s,这都是沿支撑面滑行的折射波速度,用这个速度作为地震反演的初速度不可能获得岩体的真速度。因此,超前预报资料不应该也不可能进行隧道围岩级别定[8]。

3.5 有关超前预报结果的时效性问题

超前预报的目的是要即时发现工作面前方的不良地质体,保证施工安全,因此对超前预报资料的时效性要求甚高。越是具有施工风险的预报结果,其成果的提交越应及时,一般应在超前探测工作结束后一个开挖循环的时间段内提交资料,以规避施工风险。如果不能及时提交,则超前预报资料就失去了规避风险的意义。

4 结束语

超前地质预报是施工地质的一部分,与施工地质的区别就在于超前预报的重点是发现问题,并对其可能造成的地质灾害提出预警,而施工地质重点是揭示问题之后,查清该问题段的工程地质特性。以上有关问题的讨论,是基于宜万铁路复杂岩溶隧道进行的,不一定具有普遍性,仅供超前预报同行在类似地质条件下进行超前预报工作时参考。

[1]铁道部宜万铁路指挥部 宜万铁路复杂岩溶隧道施工地质细则[S]

[2]顾湘生.宜万铁路深埋复杂岩溶隧道综合勘察与整治技术研究[R].武汉：中铁第四勘察设计院,2009

[3]顾湘生.复杂岩溶隧道施工地质超前探测成套技术研究[R].武汉：中铁第四勘察设计院,2010

[4]李越兴.地震反射波法在宜万铁路岩溶探中的应用[J].工程地球物理学报,2007(2)

[5]铁建设[2008]105号 铁路隧道超前地质预报技术指南[S]

[6]邓谊明.八字岭隧道牛鼻子暗河示踪试验成果分析[R].铁道勘察,2007(3)

[7]曹哲明.超前预报在隧道施工中的应用[J].铁道勘察,2007(3)

[8]曹哲明.TSP的超前预报效果和存在问题[J].工程物探,2005(3)

[9]肖树安.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].现代隧道技术,2004(增刊)

[10]赵 勇.TSP超前地质预报系统在隧道工程中的应用[J].铁道建筑技术,2003(5)