客運專線隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)與評價標(biāo)準(zhǔn)科研攻關(guān)階段總結(jié)012

“隧道工程施工地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)與評價標(biāo)準(zhǔn)”研究階段性成

果總結(jié)一、概況本課題結(jié)合武漢至廣州客運專線重點隧道SD口標(biāo)段進行。武廣客運專線重點隧道SD口標(biāo)段位于廣東省樂昌市境內(nèi)，施工里程為DK1908+200?DK1920+530,全長12.33km，其中隧道長12099m。武廣客運專線設(shè)計速度為350km/h，正線數(shù)目為雙線，正線線間距為5m。隧道最大開挖斷面將達到150m2,二襯完成后的凈空斷面達到100m2。根據(jù)工程設(shè)計文件及施工組織設(shè)計，本工程具有地質(zhì)條件復(fù)雜、工期緊、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高、施工需與環(huán)境保護相結(jié)合等特點。SD口標(biāo)大瑤山隧道區(qū)屬南嶺山系，其中一號隧道地形屬構(gòu)造剝蝕一溶蝕切割的中低山、低山地貌，進口(DK1908+260?DK1909+935)段為碳酸鹽巖分布區(qū)，地表主要巖溶形態(tài)為溶峰、溶谷，表層溶溝、溶槽、石芽等較發(fā)育，地形起伏較小；地下巖溶有溶洞、溶蝕裂隙、巖溶管道(小型管道流)等。地表水流向和巖溶地下水流向基本一致，隧道橫穿上述水流方向的地層、承接地表水和巖溶水的滲入。隧道位于粵北山字形脊柱構(gòu)造的北側(cè)，主要構(gòu)造有泗公坑主倒轉(zhuǎn)背斜、以獅子山背斜為代表的次級褶皺以及13條規(guī)模不等的斷層。在隧道埋深較大的區(qū)段(300?600m)可存在較高的自重應(yīng)力，由于地處區(qū)域構(gòu)造帶，不排除存在構(gòu)造應(yīng)力的可能性。以上地質(zhì)條件在工程建設(shè)過程中有發(fā)生巖溶涌水涌泥、坍塌和大變形等工程問題的可能性。本項目由不同地質(zhì)體預(yù)測技術(shù)研究、不同地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報技術(shù)研究、預(yù)報信息的提取與處理技術(shù)研究、預(yù)報效果檢驗與評價技術(shù)研究、水量及水壓的預(yù)報技術(shù)研究五個子項目。鑒于本標(biāo)段現(xiàn)場地質(zhì)條件的特點，項目部選擇了地質(zhì)條件最為復(fù)雜、預(yù)報難度最大的大瑤山一號隧道進口工區(qū)(以下稱一工區(qū))巖溶地區(qū)作為本項目研究的重點現(xiàn)場，開展研究工作。二、工作進展情況進行了一工區(qū)巖溶地區(qū)地面工程地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)查，取得了調(diào)查資料。分析成果已應(yīng)用于隧道涌突水預(yù)報工作中，取得了初步成果；對該標(biāo)段三個工區(qū)現(xiàn)場地質(zhì)編錄實作及資料整理進行了培訓(xùn)，各工區(qū)人員達到獨立操作水平；完成了CCD數(shù)碼攝影地質(zhì)編錄系統(tǒng)的配置與培訓(xùn)工作，現(xiàn)進入實施階段；采集了本標(biāo)段進行的TSP、高密度探水、HSP、地質(zhì)雷達、水平鉆探的探測報告，找出了存在問題，為保證本科研項目數(shù)據(jù)的完整與對比性，并盡可能納入針對巖溶探測的手段，在一工區(qū)巖溶區(qū)進行多手段現(xiàn)場試驗段，提交了〃地質(zhì)預(yù)報試驗段〃試驗方案，編制了物探試驗段現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)書；組織實施了現(xiàn)場多手段（地質(zhì)法、TSP、TGP12、高密度電法、電磁法、鉆孔攝影、CCD地質(zhì)編錄、HSP、雷達、水平鉆探）在同工況條件下的地質(zhì)超前探測試驗段，取得了180m的各種手段的探測原始資料與探測報告，對探測成果進行了綜合分析，對可能出現(xiàn)災(zāi)害性涌水的區(qū)段進行了預(yù)報，同時制定了施工預(yù)防措施與施工方案。三、初步成果總結(jié)選擇了地質(zhì)預(yù)報工作難度最大、易發(fā)生涌水突泥災(zāi)害的一工區(qū)巖溶地區(qū)開展研究工作。根據(jù)實施大綱要求及施工中急待解決的問題，課題組首先進行了常規(guī)地質(zhì)法的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)調(diào)查工作，查清了工作區(qū)內(nèi)隧道中線兩側(cè)各200m范圍的巖溶地質(zhì)情況，建立了環(huán)境監(jiān)測水位觀測網(wǎng)，對二、三工區(qū)環(huán)境監(jiān)測實施方案進行了調(diào)整。成果已服務(wù)于工程建設(shè)，2006年11月12日至11月20日歷時9天的多種物探手段地質(zhì)預(yù)測技術(shù)現(xiàn)場試驗段順利結(jié)束，共取得TSP2003、TGP12、直流高密度電法、瞬變電磁法、HSP水平聲波法、地質(zhì)雷達、鉆孔地質(zhì)攝影、水平地質(zhì)鉆探共八種手段的同工況條件下探測報告7份及一批供課題研究的原始資料。CCD數(shù)碼地質(zhì)編錄工作正在進行。這些資料為課題研究提供了寶貴的分析數(shù)據(jù)，進一步的研究工作將后續(xù)展開，為及時給施工生產(chǎn)以指導(dǎo)，現(xiàn)將初步研究成果報告如下：（1）分析了隧道地質(zhì)預(yù)測及預(yù)報工作的特點及存在的問題a特點隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報的特點：①圍巖揭露范圍小，難以觀其全貌；②探測作業(yè)空間小邛艮制了探測手段的應(yīng)用，這主要表現(xiàn)在探測手段選擇和測線布置兩方面；③探測與施工難以并行。特點見表1。表1各種隧道超前預(yù)報特點及比較分類方法能源原理適用條件優(yōu)點缺點預(yù)報距離影響因素直接常規(guī)地質(zhì)素描綜合判斷法人工地質(zhì)工程師根據(jù)肉眼觀察及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水出露等地質(zhì)信息，運用地質(zhì)理論和自己的經(jīng)驗判斷進行地質(zhì)評價與預(yù)報任何地質(zhì)條件，是基礎(chǔ)工作。結(jié)論可靠，不需要大型設(shè)備，人力與資金的投入較少，占用時間較少需要專業(yè)地質(zhì)工程師，勞動強度大，效率低,結(jié)論依賴經(jīng)驗不大于5m環(huán)境光線、斷面積、經(jīng)驗、觀察工具等數(shù)碼成像技術(shù)可見光用可見光對開挖面進行攝影，通過對影像的處理與有用信息提取，在地質(zhì)力學(xué)理論基礎(chǔ)上進行預(yù)報分析任何地層信息采集效率高、過程可視化，數(shù)字信息便于計算機處理目前尚不能對豎曲線坡度大于10°的隧道進行探測15m環(huán)境光線、經(jīng)驗等

水平地質(zhì)鉆探鉆機用鉆機鉆取探測地巖芯編錄任何地層結(jié)論直觀、可士.靠需大型鉆探設(shè)備，占時多、一孔之見150m巖芯采取率、探測距離等平行導(dǎo)坑法挖掘平行導(dǎo)坑與正洞開挖方向一致，平行超前開挖一個橫斷面較小的隧道，以探明正洞左（右側(cè)）的地質(zhì)條件，以此推斷正洞的地質(zhì)條件較完整的硬巖地層結(jié)論直觀、可士.靠工程量及投資大，垂直鉆進方向探測范圍小，易揭穿水、氣層 鉆速法普通鉆機利用隧道開挖鉆機鉆進過程的鉆速與巖質(zhì)的關(guān)系判斷地質(zhì)條件任何地層快速、簡便，不需另增設(shè)備不能得到地質(zhì)體結(jié)構(gòu)等方面的信息3-5m操作手的經(jīng)驗斷層參數(shù)法人工據(jù)地質(zhì)力學(xué)理論與統(tǒng)計經(jīng)驗式，進行斷層帶分析預(yù)報巖層彳頃角小于30°的近水平LU日巖層簡便，不需設(shè)備需要地質(zhì)力學(xué)知識與豐富的實踐經(jīng)驗，人才不易在短期內(nèi)培養(yǎng) 經(jīng)驗與技術(shù)水平間接聲波CT法數(shù)千至20千赫層析成像技術(shù)（computerTomography）采用聲波探測射線走時和振幅來重構(gòu)孔間巖土內(nèi)部聲速值及衰減系數(shù)的場分布，通過象素、色譜、立體網(wǎng)絡(luò)的綜合展示，達到直觀反映巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)目的。任何巖體可反映圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，有利于圍巖分級需占用施工時間，環(huán)境要求較高15-30m測線布置、經(jīng)驗TSP系列400?500Hz機械波利用波動在界面產(chǎn)生反射波的原理，據(jù)走時與波速確定結(jié)構(gòu)面位置。塊裂巖體*集探測、分析于一體，操作簡單、成果直觀，可獲得圍巖動力學(xué)參數(shù)值不夠靈活，探測成本高，對近隧道軸向及水平界面無效約200m測線布置、裝置參數(shù)、炸藥爆速及經(jīng)驗地質(zhì)雷達50?900MHz電磁波據(jù)電導(dǎo)率的差異性利用回波原理進行不同介質(zhì)邊界的探測。任何巖體分辨率高，可達厘米級，頻帶寬，探測成果直觀探測環(huán)境要求較高，需多次重復(fù)探測。30?50m測線布置、發(fā)射主頻、經(jīng)驗紅外探測A>700nm電磁波利用紅外輻射場強的差異進行不同地質(zhì)體的探測。包含大型充水結(jié)構(gòu)的地層測線布置靈活，對水體較敏感，可對邊墻及拱頂、隧底進行全方位探測對經(jīng)驗的依賴性突出，需多次試測。30?50m測線布置、環(huán)境溫度電法電場利用電性差異，在地質(zhì)體中產(chǎn)生全空間電場，通過巖體中電位檢測，進行地質(zhì)體邊界探測。巖性差異顯著及富水的地層操作簡單，無需鉆孔，探測距離大環(huán)境干擾要求高，需占用施工時間1~2小時>100m測線布置b存在問題①探測手段具局限性。鉆探法：鉆探法的特點是揭露地質(zhì)體，直接觀察掌子面前方地質(zhì)條件，屬于接觸式探測，其優(yōu)點是直觀、可靠，但范圍?。ㄒ豢字姡?，且對于探測到大量水體及含氣層時極易同時產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害；地質(zhì)素描：圍巖揭露范圍小，作業(yè)環(huán)境差，缺少快速高效的手段。使用地質(zhì)羅盤等手段工作效率不高，工作成果不足以達到分析所需的信息數(shù)量與質(zhì)量；現(xiàn)場缺少專職地質(zhì)工程師，地質(zhì)工作達不到施工要求。物探法：探測范圍受限，使得探測成果只是測區(qū)內(nèi)全部探測對象的子集；試測工作往往不能得以進行，降低了探測成果的質(zhì)量；遠距離探測手段的分辨率尚不能滿足施工要求；各探測手段對原始探測資料的處理方法(信息的提取技術(shù))不同，難以進行相互比較和綜合利用；某些探測手段抗環(huán)境干擾能力不足，以致應(yīng)用效果不佳(如地質(zhì)雷達、紅外探水)；對地質(zhì)預(yù)報信息的挖掘不足，一些探測信息沒有被充分利用。②地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報差距較大。探測與預(yù)報分離：目前的地質(zhì)預(yù)報工作多是將物探成果直接作為預(yù)報成果進行提交，不對發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性進行進一步的分析判斷，地質(zhì)預(yù)報效果不好；各種預(yù)測報告提供的信息水平不一，預(yù)報的內(nèi)容只提供異常體的里程，而未對不良地質(zhì)體的性質(zhì)、空間展布、規(guī)模及工程危害性給予分析，基于經(jīng)驗之上的預(yù)報現(xiàn)狀難以為施工直接利用；預(yù)報停留在對探測成果的解釋層面上，信息的挖掘與對比工作欠缺；預(yù)報工作沒有與施工過程結(jié)合起來；水量及水壓的預(yù)報缺乏有效的理論和技術(shù)支持。③預(yù)報效果的檢驗方法粗放不夠科學(xué)。由于上述問題的存在，目前預(yù)報效果的檢驗仍限于開挖揭露后的人眼判斷，內(nèi)容僅為該里程是否出現(xiàn)預(yù)報內(nèi)容和簡單統(tǒng)計上，缺少檢驗指標(biāo)與檢驗標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)性較差。(2)巖溶區(qū)地面地質(zhì)調(diào)查對大瑤山一號隧道巖溶段DK1909+264?1910+000兩側(cè)200m范圍進行了水文與工程地質(zhì)特性的地面地質(zhì)調(diào)查。通過對區(qū)內(nèi)巖石的可溶性、構(gòu)造、地下水的溶蝕性及區(qū)域水徑流條件的詳細調(diào)查與分析，對區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育規(guī)律與特點進行了分析，取得了相應(yīng)的水文地質(zhì)參數(shù)，調(diào)查成果提供了下階段建立地質(zhì)預(yù)報概化模型所需數(shù)據(jù)。(3)巖溶發(fā)育規(guī)律及涌水特點對測區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育形態(tài)及其分布規(guī)律進行了研究彳導(dǎo)出了深大斷裂對深部巖溶洞穴與暗河發(fā)育具有控制作用的結(jié)論，給施工的提示是在上述斷裂處一旦發(fā)生坍塌試圖采用迂回導(dǎo)抗的方法是難以奏效的。(4)劃定了本區(qū)段隧道涌水的三個重點探測區(qū)段及涌水特點：DK1908+500?+800、DK1909+115?+400、DK1909+500?+900三段。第一區(qū)段涌水特點為：水量小，水量隨地表降水量大小變化，隧道揭露后水位下降迅速，由于施工期為豐水季節(jié)，但考慮平導(dǎo)超前放水后，該區(qū)段涌水可能性降低，預(yù)計涌水量小于5000m3/d；第二區(qū)段特點為水量較大，出水后水位下降緩慢，預(yù)計涌水量小于7000m3/d；第三區(qū)段特點為水量大，水位穩(wěn)定，出水后水位下降不明顯，但施工期為枯水季節(jié)，預(yù)計水量小于22000m3/d。結(jié)合多手段綜合預(yù)報方法，將研究成果應(yīng)用于隧道涌水超前預(yù)報工作中，取得了一定的效果。(5)巖溶管道形成機理及涌水預(yù)測對重點涌水區(qū)段DK1909+600~1910+187段巖溶管道流形成機理及發(fā)育方向進行了分析預(yù)測，通過對年內(nèi)多次平、正洞涌水資料的分析，對尚未施工的DK1909+600~+880段的涌水機理進行了分析及涌水預(yù)報，本區(qū)段可能還會碰到2-3個處于區(qū)內(nèi)水平徑流層中，間距40m~90m由溶洞形成的管道流邊界，涌水的可能性極大，施工單位應(yīng)給予高度重視，加強對隧道開挖臨空面周邊30m范圍的溶洞及含水體探測工作。(6)確定了高水壓巖溶涌水區(qū)安全巖墻厚度，提出了施工建議對影響施工安全的巖墻厚度進行了影響因素分析，經(jīng)對爆破擾動、圍巖松弛、裂隙水劈裂作用及區(qū)內(nèi)地應(yīng)力特征等因素的分析彳導(dǎo)出了本工程巖溶涌水區(qū)的安全巖墻厚度宜不小于4~5m。施工建議：在高水壓巖溶暗河發(fā)育區(qū)段的施工宜采取地質(zhì)預(yù)報超前，以半斷面、小進尺、弱爆破的方式來減少爆破擾動深度及爆破產(chǎn)生的動應(yīng)力，采取預(yù)注漿封堵裂隙，加固圍巖，一次支護緊跟的方法。是隧道穿越高水壓巖溶區(qū)防止涌水的適宜方法。(7)提出了施工地質(zhì)預(yù)測的橫向范圍由于不良地質(zhì)條件對隧道施工的影響不僅是開挖面前方，其側(cè)壁與基本內(nèi)部臨空面的探測同樣重要，圍巖破壞的時間效應(yīng)往往造成隧道開挖、支護后又出現(xiàn)問題。建議在進行物探工作時對重點區(qū)段同時進行隧道周邊的探測，探測范圍為隧道周邊2倍洞徑，本工程約為30m。實例一：2006年6月24日16:20大瑤山一號隧道1#橫通道施工的正洞段開挖至DK1909+342.5時，掌子面施鉆6m多孔超前探水時，拱頂向下約1.5m、中線向左4.3m和拱頂向下約1.8m、中線向右4.5m開挖輪廓線上探孔鉆進至3.8m時發(fā)生冒水冒泥。泥漿水壓力較大，含砂量較大。左側(cè)孔最大噴射距離約11m,5分鐘后被泥沙堵塞。立即停止掌子面施工，進行超前帷幕注漿堵水。圖1出水位置示意圖 圖2左側(cè)噴距11m的黃色泥漿圖3右側(cè)噴砂后水壓減小自流出清水后經(jīng)探孔顯示，上部鉆至3.5m處出現(xiàn)泥漿，下部鉆孔11m出現(xiàn)泥漿，故推測為向大里程方向傾斜的構(gòu)造帶，結(jié)合平導(dǎo)2006年2月4日出水里程PDK1+101.1(對應(yīng)正洞里程為口。909+321.1)處曾涌出卵石、河砂的情況，證明此地段巖溶比較發(fā)育。從地表谷皮坦25、26日水觀測記錄分析，該股水流與地表谷皮坦管道流具有一定的水力聯(lián)系。設(shè)計地質(zhì)情況：本施工段設(shè)計為口級圍巖，處于F4(DK1909+125~+250)和F5(DK1909+500~+610)斷層之間。F4與隧道中線夾角為67~77°,傾向小里程，傾角較陡，沿斷層發(fā)育040(谷皮坦)管道流；破碎帶內(nèi)情況較復(fù)雜，巖溶發(fā)育，斷裂含水、導(dǎo)水。F5與隧道中線夾角57~62°,傾向大里程，傾角不明，揉皺發(fā)育、巖層產(chǎn)狀紊亂、方解石脈發(fā)育、巖體破碎，沿斷裂帶發(fā)育有小型塌陷，斷層含水、導(dǎo)水。綜合地質(zhì)預(yù)報：本次突水處于課題研究預(yù)報重點探測區(qū)段的第二區(qū)段，涌水特點為水量較大，出水后水位下降緩慢，預(yù)計涌水量小于7000m3/d,采用的重點探測手段為TSP及電測法，探測的重點不良地質(zhì)體為構(gòu)造帶、含水溶洞。電測法預(yù)報涌水區(qū)段:DK1909+318.8~+322.8;TSP2003預(yù)報涌水區(qū)段:DK1909+347.5~367.5,DK1909+434.5~+440.5。兩種探測方法都準(zhǔn)確地報出