超前地质预报在隧道施工中的应用
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摘要：近年来隧道开挖逐渐趋于断面大、长度长，在隧道开挖过程中制约关键因素是工程地质灾害问题。本文结合实际工程，采用TRT技术和水平钻孔技术相结合，利用超前地质预报结论指导隧道开挖施工，确保施工质量的同时保证施工安全性。
关键词：超前地质预报 隧道施工 应用
近年来，我国交通事业迎来了建设高峰期，公路、铁路、城市轨道交通的建设如火如荼，交通建设尤其是公路和铁路逐渐由东部向西部、由平原向山区发展趋势。在高速、安全的前提下，隧道、隧道群建设的机率越来越大。隧道施工不仅取决于隧道本身断面的特点，还和工程地质条件紧密相关。由于工程施工要求快速、工期短，安全施工，隧道开挖和施工对围岩条件要求很高，尤其是掌子面的稳定性。山区地质条件变化多端，在设计阶段的地质勘察工作精度达不到很高，往往在隧道施工开挖过程中部分段落的地质条件变化给施工安全、工期、造价造成很大隐患。
超前地质预报技术在隧道施工中的应用，就是利用一定技术手段，一般以物理勘探和地质钻探相结合，对隧道施工掌子面前方围岩的完整情况和成灾可能性作出预报和解释，指导施工过程采取一定的措施或者改变施工技术方法，避免塌方、岩爆、涌水（泥）等地质灾害的发生，给施工现场或后期隧道运营带来安全隐患。
一、实例应用
1.工程概况
本项目属于重庆至长沙高速公路上官桥至酉阳段，是西部开发省际公路通道重庆至长沙公路重庆境内的一段，上酉段 G4标葡萄山隧道，本项目隧道左线起讫桩号ZK56+405～ZK59+995，隧道线长3.590km，设计隧道采用双车道，隧道单洞建筑限界净宽10.5m,净高5.0m，设计车速80km/h,最大埋深909米。
1.1地形地貌
上官桥至酉阳段位于四川盆地东南部盆缘山区南侧的青华山山脉一带，山脉总体走向北北东-南南西向，与区内构造线方向基本一致，青华山山脊高耸，东西坡坡麓及坡脚现露碳酸盐岩类可溶岩，受构造影响溶蚀地貌较发育，形成有独特的峰丛、洼地、溶蚀深谷等地形地貌景观。区内最高点位于青华山至香炉点一带，高程达1635m，青华山东西两侧具溶蚀谷地特征，东侧的龙潭河高程约300m，山脊至河谷相对高差1000～1500m。K56+400～K62+750段为青华山，山体浑厚，属构造剥蚀―侵蚀中低山～中山地貌区，最高点癞子岩，海拔1635.3m，山麓及坡脚高程600～800m，相对高差约700～900m。
1.2区域地质
（1）地层岩性
线路至地层层位属杨子准地台区黔北川南分区――思南酉阳小区。出露及埋藏的地层主要为元古界震旦系下统南沱组～奥陶系下统大湾组一套碳酸盐系和碎屑岩地层。第四系主要有残积（Qe）、残坡积（Qel+dl）、崩积（Qcol）、洪冲积层（Qql+pl）等多积类型，集中分布在冲沟、河谷、溶蚀洼地在及坡麓一带，厚度一般2～7m，局部大于20m。
路线布设区从老到新主要出露为寒武系～ 三叠系下统大冶组的一套碳酸盐类及碎屑岩类地层，沿线地表零星或带状分布有第四系冲洪积、参（崩）坡积合并水堆积等成因类型的松散堆积层。
（2）断裂构造
线路区属扬子准地台上扬子台坳渝东南陷褶束秀山穹褶束桐麻岭背斜及其两翼。区内较大的有青华平移――张性断裂带和楠木桩平移――张性断裂带，均为北北东向。区内的主要断裂带和此生构造在漫长的地质历史中均经历了多次构造运动的改造，早期形成的构造特征均不显著，普遍已面目全非。
（3）气象、水文
① 路线位于四川盆地东部，属亚热带季风气候区，区内气候温和，四季分明，雨量充沛，具有春雨、夏旱、秋绵、冬干的特点，12月～至次年2月最冷，一般气温-2～-1℃，最低气温-5℃，海拔800米以上山地在本段时间属冰冻阶段。多年平均气温17.7℃,最高气温44.1℃,最低气温-8.4℃,多年平均降水量1383.6,且分布不均,多集中在5～8月,占全年降雨量的55.3%,据酉阳县气象局资料,2003年7月7日至2003年7月10日降水量为216.30,属大暴雨降水过程,这种大的降水过程在酉阳地区发生较为频繁,多年平均湿度为78～80%,年平均风速1.3m/s,一般风力3～4级。
② 水系
区内桐麻岭―天上耶―青华山―银岭山脉构成东西水系分野，较大的水系，顺山势呈南北流向。西部南面的小溪沟多为断头河流，属乌江水系，东部的溶溪河、龙潭河属沅江水系。
区内小溪沟均发育于青华山东西坡，呈格子状分布，东部的溪流汇入溶溪河、龙潭河，流入梅江，西部的溪沟多转入伏流直接汇入乌江。区内主要季节性河流、溪沟分述如下：
龙潭河：位于测区北端东侧，流向由北向南，属沅江水系，发源于酉阳县抱木乡，流经泔溪、麻旺、渤海乡，于龙潭镇苦竹公社流入妙泉河，汇入沅江的一级支流梅江，全长约60km，最大流量60m3/s,平均18.58 m3/s。
溶溪河：流经线路K55～K59段，属沅江水系。位于测区南端东侧，流向由南向北，属沅江水系。发源于秀山县茅坡乡，经膏田、溶溪、井岗乡，于龙潭苦竹公社汇入妙泉河进入梅江，全长约40km。枯季流量1 m3/s。
③ 地下水
沿线出露了一套古生界寒武系下统（∈1）至奥陶系下统(O1)的可溶性碳酸盐岩类夹碎屑岩类。区内岩体在漫长的地质历史时期中经历了多次构造运动的破坏和改造，以致区域内分布有碳酸盐盐类岩溶裂隙水、构造裂隙水、松散岩类空隙水等多种地下水类型。其中碳酸盐岩类岩溶裂隙水分布最广，对公路建设的影响最普遍，而其余类型往往具脉状或岛状特征。根据现场调查结合地质勘察报告结论，本次隧道施工过程中超前预测主要在ZK57+000～ZK59+995段，主要采用TRT技术和超前水平钻孔相结合手段进行探测。
1.3TRT技术
TRT超前地质探测技术是地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。用来了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等），位置、形状、大小。该隧道施工过程中在TRT探测过程中震源采用重锤单点激发产生信号，多点接收的方式进行。在隧道掌子面附近左、右两侧边墙和左右拱脚布置震源点，在左右拱腰和左右拱脚选择5个点作为接收点，接收点纵向布置间距为5 m（如图1）。根据 TRT探测成果图（见图2），推断该段围岩地质情况：ZK57+995处存在一条断层，宽度约40cm，断层周围岩体较为破碎，且存在积水。ZK58+005-ZK58+015段岩土较松软，推断存在泥质层，对围岩稳定影响较大。
1.4超前水平地质钻孔
超前水平地质钻孔是利用水平钻机在隧道掌子面进行水平地质钻探，来获取掌子面前方隧道围岩的地质信息。在隧道超前预报技术中往往利用超前水平地质钻孔来验证其他探测推断结论，用以指导下一步隧道施工，避免或减小施工中事故发生。根据TRT探测初步结论，ZK57+995处存在一条断层，ZK58+005-ZK58+015段岩土较松软，可能存在岩体破碎或者岩溶发育区域，故在隧道施工进行到ZK57+985的时候，采用超前水平地质钻孔进行验证。钻孔直径采用108mm，一米一循环，岩芯全部保留，计算采芯率和钻探记录。 钻孔进行到ZK57+993处，钻探进尺加快，采芯率很低约50%，且呈碎块状，岩石表面锈蚀严重，钻探浆液变稀，岩芯显示碎块段落长度50cm，然后岩体较完整；当钻至ZK58+006-ZK58+012段，进尺速度加快，且浆液变稠，发黄红色，岩芯采芯率很低不足20%，且强度很低，遇水易软化。
从以上两种手段相互探测结果显示推断：ZK57+993- ZK57+993.5处存在断层，断距55cm，岩体破碎，且有聚水现象，根据钻探后观察，水量不大处于滴水状态。ZK58+005.5-ZK58+012.5段为一泥质灰岩层，层厚40cm，倾向隧道大里程方向，倾角35度左右，与实际勘察时候调查情况一直，没有出现地层错乱现象，排除填土岩溶存在的可能性。
二、开挖施工
根据超前预报结果项目部决定在ZK57+985-ZK58+000段不做超前防护直接开挖，根据实际开挖情况再考虑采取支护措施。当开挖至ZK57+993处拱顶部分位置有渗水，由于渗水作用的泥质灰岩薄夹层部分脱落，断层碎块随着开挖不断有掉块，塌方范围为整个拱顶断层破碎带约30m3，拱顶及两侧掌子面松动掉落深度30-50cm。考虑到ZK58+005.5-ZK58+012.5段软弱泥质灰岩层的塌方会造成很大影响，所以在开进到ZK58+003时候采用小导管注浆施工工艺，提前将前方破碎、软弱岩体进行加固预处理，开挖过程中很少有坍塌现象发生。
三、处理措施
根据地质超前预报和现场开挖情况，开挖岩石试验结果。对ZK57+993- ZK57+993.5段和ZK58+005.5- ZK58+012.5段按照原设计Ⅳ级围岩加强复合式衬砌方法。下阶段类似情况将采用超前小导管（直径42×4mm钢管）预先处理，确保开挖过程中发生大面积坍塌；对超挖或者坍塌部分采用喷射混凝土填实，确保不出现初期支护外空洞现象，保证初期支护结构安全；开挖过程中严格控制进尺，采用短进尺、弱爆破方案，避免对周围岩土扰动过大引起大面积坍塌。
四、结论
隧道施工前应搜集和调查现场岩体资料，认真分析勘察报告，了解地层地质条件和水文条件；
根据施工条件、岩体情况、地下水情况选择经济、实用、快速的超前预报手段TRT结合超前水平地质钻孔，定量与定性相结合保证预报的准确性。
结合超前地质预报结果指导施工过程安全开展，总结开挖经验采用类比法联合指导下阶段隧道施工。
本项目在灵活运用TRT结合超前水平地质钻孔在该隧道施工过程中起到了举足轻重的作用，在后期的隧道施工过程中没有发生安全事故，成功的指导了施工。