超前地质预报在龙池隧道中的应用
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摘要：本文以龙池隧道工程为例,向大家阐述目前我国在隧道施工中,常见的预报方法及其作用,隧道周边一定范围和距离内岩体地质条件信息的收集,需要我们在隧道的施工中,进行一定范围内具有一定精度和可信度地超前地质预测预报工作，提前发现隧道周边、前方一定范围和距离内岩体地质的变化，为隧道施工决策提供准确可信的地质资料和信息，以便据此调整开挖、支护设计，规避既有风险，确保隧道安全顺利施工。
本文着重介绍了水平超前探孔法超前地质预报在四川都汶高速公路龙池隧道工程中的应用
关键词：隧道、超前地质预报、水平超前探孔法
中图分类号：U45文献标识码： A
一、概况
龙池隧道，长1160m，LK1+300～LK2+460，III级围岩461m，Ⅳ级围岩213m，Ⅴ级围岩486m，进出口均采用端墙式洞门。
本隧道地质条件较复杂，穿越F2、F3、F4断层和白岩山背斜，LK1+446～LK1+519及LK2+105～LK2+460地段为二叠系下统梁山组及三叠系上统须家河组为含煤地层，含有瓦斯气体。
1.1.1水平超前探孔超前地质预报
地质探孔预报是目前各种超前地质预报方法中最简单、最有效的一种预报方法。采用水平地质钻机在开挖面钻1～3 个孔（探孔深15m，一般地质地段超前地质钻孔1 个，水量较大、砂层和风化深槽地段3 个）。分别位于拱顶和拱腰部位。超前探孔直径φ90mm，终孔位于隧道开挖轮廓线外1.5～3.0m。探孔的主要目的是探明地下水及水压情况，在钻孔的同时，记录钻孔速度、岩碴岩粉特征、含泥量、出水部位、钻杆是否突进（及深度）等情况，综合判断前方的工程地质和水文地质情况。在短距超前探孔预测预报过程中，若工作面局部出水量较大，应增加探水孔数量，以便更加准确地进行预报。
超前钻孔是隧道施工期超前地质预报方法中最直接的方法，是隧道施工中的重要工序，是对其他探测手段成果的验证和补充。超前钻孔能最直接地揭示掌子面前方的地质特征，准确率很高。其通过钻孔钻进速度测试和所采取的钻孔岩芯的观察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度及地下水状况等诸多方面的资料，是中短距离超前地质预报必不可少的手段。
超前钻孔可在掌子面进行，超前钻孔探测的记录方式有：
不取芯钻探
主要系利用钻机的冲击力、推力及扭力的变化，配合回水颜色及岩屑的观察，记录钻进时间、钻进速率，并据此来推断前方的地质状況。
不取芯钻探的优点是施作时间较短、费用较低(与取芯钻探比较)，若隧道前方有地下水层，可以通过不取芯钻孔探测并排水，缺点是不取芯探孔常会因坍孔而无法量得正确的水压及水量资料。在施作期间开挖面通常需配合停工，且钻进过程中，容易受操作人员人为影响，因此变数较大，造成判读岩体比较困难。不取芯探孔另一缺点是因无法得到完整岩芯，在地质解释方面，常存有其不确定因素。
（2） 取芯钻探
利用钻芯钻机取出完整岩芯供地质判别，取芯钻探可得到直接的地质资料，从而做出较正确的地质判别。岩芯取出后，可经由实验室施作该岩块的物理、化学试验进而得其相关力学参数，钻探完成后的孔洞也可以当成排水孔，对于穿越含高压地下水层的岩体而言，可利用此先行降低水压。但取芯钻探施作期间开挖面通常需配合暂停，且施作时间比不取芯钻用工进要长，费用也较高。在海底隧道施工中，将有效利用横通道作为取芯钻孔的工作面，以减少超前探孔对正常施工掘进的干扰，钻孔长度可以调整到200m甚至更远。
（3）台车加长钻孔法
液压台车接杆钻孔是一种短期超前预报探孔，对于掌子面前方30m以内的超前探孔，适合用钻孔台车钻孔，占用生产时间较少，速度快，有利于提高施工进度。台车加长钻孔主要利用钻机的冲击力、推力及扭力的变化，配合回水颜色及岩屑的观察，记录钻进时间、钻进速率，并据此来推断前方的地质状況。施钻过程中，由地质预报组成员详细记录钻速、水质水量变化情况及开挖后的岩面观测素描，并采集钻孔排碴取样分析，综合判断预报前方水文、地质情况。
超前探孔在工作面上超前钻3～5个孔，其中2个位于上部拱腰处，另2个位于边墙部位。超前探水孔采用地质钻机施做，探水孔探水段长30m～40m，探水孔终孔位于隧道开挖轮廓线外0.5m～1.5m（在一般区域选择为1.5m）。
对掌子面3 m～5m的范围通过地质观测和打3 m～5m的探孔预测前方的围岩情况。
1.1.2在龙池隧道中的施工现状
根据设计要求，施工方自2008年12月10日开始，沿隧道出口拱部120°范围打设32根钢管，形成管棚支护。
（1）现场数据采集
施工方在现场钻孔并打设管棚，钻孔设计长度30m，实际钻孔总共32个，采用钻头直径为110mm的LF100型风动潜孔钻机打孔，根据位于拱顶、拱腰和拱脚处的钻孔钻进速度、岩碴岩粉特征、含泥量、出水部位、钻杆是否突进（及深度）等情况，综合判断前方的工程地质和水文地质情况。根据钻孔瓦斯含量监测情况，判断隧道围岩中瓦斯含量情况。
1.现场钻探与钻孔编录
现场钻孔排布和编号如图1-1所示。选取位于拱顶、拱腰和拱脚部位的代表性钻孔R1、R7、R15、F1、F6、F15，根据其现场编录情况，结合地质勘查资料中SZK8、SZK7探测结果，给出龙池端洞口LK2+460~LK2+430段围岩地质情况。 表1-1给出了各钻孔地质编录情况。
表1-1各钻孔地质编录
钻孔编号 所在位置 时间 地质编录（按孔深） 分段对应钻进表现
R1 拱顶右侧 08.12.9 0-10m,小块石质土
10-11,灰岩砾石
11-17m,小块石质土
17-18m,灰岩砾石
18-30m,炭质页岩 黄色土屑喷出，无水，钻头无冲击,
灰白色岩粉喷出，无水，钻头有冲击，
黄色土屑喷出，无水，钻头无冲击,
灰白色岩粉喷出，无水，钻头有冲击，
黑褐色土屑喷出，无水，钻头无冲击
F1 拱顶左侧 08.12.10 0-9m,小块石质土
9-11,灰岩砾石
11-17m,小块石质土
17-18m,灰岩砾石
18-30m,炭质页岩 黄色土屑喷出，无水，钻头无冲击,
灰白色岩粉喷出，无水，钻头有冲击，
黄色土屑喷出，无水，钻头无冲击,
灰白色岩粉喷出，无水，钻头有冲击，
黑褐色土屑喷出，无水，钻头无冲击
R7 右侧拱腰 08.12.13 0-11m,硬粘土
4-8m,软泥
8-10m,灰岩砾石
10-30m,粘土夹砾石 黄色泥浆流出，无水，钻头无冲击,
无岩粉喷出，出水，钻头突进，
无岩粉喷出，出水，钻头无冲击，
岩粉喷出少，出水，钻头偶有冲击，
F6 左侧拱腰 08.12.14 0-14m,硬粘土
14-30m,炭质页岩 黄色土屑喷出，无水，钻头无冲击,
黑色土屑喷出，无水，钻头有冲击，
R15 右侧拱脚 08.12.17 0-14,硬粘土
14-30m,炭质页岩 黄色土屑喷出，无水，钻头无冲击,
岩粉喷出少，出水，钻头有冲击，
F15 左侧拱脚 08.12.18 0-7m,硬粘土,
7-30m,炭质页岩 黄色土屑喷出，无水，钻头无冲击,
黑色土屑喷出，无水，钻头有冲击，
2. 钻孔瓦斯含量监测记录
现场每个钻孔成孔后检测钻孔瓦斯含量很低， LK2+460~LK2+430段围岩瓦斯含量极小。
表1-2、表1-3分别为勘察设计文件地表SZK8与SZK7钻孔地质编录。
表1-2 SZK8号钻探孔地质编录
钻孔桩号: LK2+460
地层编号 钻孔深度（m） 地质编录
1 0～13m 小块石质土，松散。
2 13m~23m 块石夹土，松散，不稳定。
3 23m~30m 灰岩砾石，碎裂状，稳定性差，洞内以潮湿、滴水为主。
注:隧道拱顶埋深约4m，隧道底部埋深约10m。
表1-3SZK7号钻探孔地质编录
钻孔桩号: LK2+425
地层编号 钻孔深度（m） 地质编录
1 0～10m 小块石质土，松散。
2 10m~18m 块石夹土，松散，不稳定。
3 18m~30m 灰岩砾石，碎裂状，稳定性差，洞内以潮湿、滴水为主。
注:隧道拱顶埋深约19m，隧道底部埋深约26m。
（2）地质预报结论
根据SZK7与SZK8勘察钻孔地质编录情况（表2与表3），结合勘察资料及现场开挖情况，得出龙池隧道出洞口LK2+460~LK2+430段地质超前预报。
隧道龙池端LK2+460~LK2+437段地质情况为小块石质土堆积夹灰岩砾石，土质松散，稳定性差；近隧道底部及仰拱部位为黑褐色炭质页岩，炭质页岩极软，遇水软化。LK2+437~ LK2+430段隧道穿越炭质页岩地层，围岩极软弱，遇水软化。水文地质情况为隧道含水丰富，洞内以淋水、股状出水为主。围岩破碎，稳定性差。
从管棚钻孔中未监测出有瓦斯涌出，隧道龙池端LK2+460~LK2+430段瓦斯含量小。
二、结论
水平超前探孔在施工中得出的预报结论：隧道龙池端LK2+460~LK2+437段地质情况为小块石质土堆积夹灰岩砾石，土质松散，稳定性差；近隧道底部及仰拱部位为黑褐色炭质页岩，炭质页岩极软，遇水软化。LK2+437~ LK2+430段隧道穿越炭质页岩地层，围岩极软弱，遇水软化。水文地质情况为隧道含水丰富，洞内以淋水、股状出水为主。围岩破碎，稳定性差。从管棚钻孔中未监测出有瓦斯涌出，隧道龙池端LK2+460~LK2+430段瓦斯含量小。
隧道施工着重采用这三种预报方法再加上随着掌子面开挖做的临时地质素描，对龙池隧道的不良地质置做出了概况，围岩破碎地带，稳定性较差的部分应做好充分的支护措施，边支护边施工，确保其稳定性，对含水量丰富区段，应做好防水处理，及时排水以确保施工能顺利进行。另外对于已测出的含有瓦斯区段的施工段应时刻的做好瓦斯监控，瓦斯监控系统要确保24小时不间断，确保洞内施工人员的人身安全。虽然本隧道施工中应用了这么多中预报方法，但是要确保准确无误地预报出隧道的地质情况是不可能的，所以施工过程中要根据工程段的临时情况做出临时的变更。
参考文献
赵永贵，隧道地质超前预报研究进展，.地球物理学进展，2003第三期
李勇等，隧道施工地质超前预报方法，地质与资源，2004年二月
吴江滨，超前地质预报在隧道工程中的应用，工程地质学报，2003第二期