超前地质预报在雁门关隧道施工中的综合应用

超前地质预报在雁门关隧道施工中的综合应用,地铁遂道,工程设计, 隧道超前地质预报是防止隧道开挖时发生突发性灾害、保证施工工期、施工质量和评判围岩稳定与否的积极手段。它是隧道施工的“侦察员”。“知己知彼，百战不殆”。进行隧道施工，必须对施工的隧道围岩地质情况有一定程度的了解，而且了解的越详细、越真实，就越能保证施工的安全、优质、快速进行。
隧道超前地质预报就是要从时间上提前距离上超前了解隧道围岩地质情况。从一定意义上说，设计院提交的隧道设计纵断面图、地质总平面图等资料也是隧道施工超前地质预报的成果，但由于勘察设计精度的限制及隧道地质的复杂性等种种原因，设计图中常常遗漏很多只有在隧道施工中才能发现的不良地质体，因而对围岩特征描述就不是十分准确。因此在隧道实际施工中进行超前地质预报就显得十分重要了。
2 超前地质预报的国内外现状
在国外，如瑞士、日本等发达国家进行隧道建设过程中，隧道施工地质工作都是重要的、不可或缺的工序，重视隧道施工地质工作已成为管理部门和广大工程技术人员的共识。
在我国，1996年－1998年铁道部第一勘测设计院西安分院首次在秦岭特长隧道开展了施工地质综合测试工作及超前地质预报工作，并将地质工作贯穿隧道施工全过程。这实际上是在开展全面隧道施工地质工作的道路上迈出的极重要的一步。可以预见，全面、正规的隧道地质超前预报工作必然要纳入隧道建设的重要日程上来。
3 工程概况
雁门关隧道是山西新原高速公路的咽喉工程，是国内在建最长的公路隧道，双线四车道，净宽11m，净高7.5m，全长10395m，这样的长大隧道工期紧（仅22.5个月）、任务重（月成洞在130m、月掘进160m以上），对施工单位提出了更高的要求。
该隧道位于恒山山脉西段，属构造隆起上升区，主要经历了五台期、吕梁期和燕山期构造的影响。隧址区内共有断层27条，其中切穿洞轴线的有13条，表现为高角度的正断层和逆断层，断层均为发育宽度不等的破碎带，带内岩体破碎，节理与构造裂隙密集发育，稳定性差，隧道穿越时容易发生掉块或大的坍塌现象。尤其是F12、F16、F18、F19、F20和F22断层内岩石多为角砾岩、碎块岩、断层泥等。带内裂隙极发育，呈散体结构，力学强度低，稳定性极差。围岩岩性复杂多变：主要有泥岩、页岩、泥质白云岩、泥灰岩、灰岩、凝灰岩、流纹岩、安山岩、黑云斜长角闪片麻岩、斜长角闪岩、变质花岗岩等。
4 超前地质预报模式的匹配
超前地质预报按预测距离的长短分为两种，一种是长距离的预报，称为长期超前地质预报；一种是短距离的预报，称为短期超前地质预报。它们各有不同的预报距离，预报方法和技术手段，承担不同的任务，也具有不同的精度。
4.1制定原则
我们在雁门关隧道施工中，针对隧道围岩地质复杂多变的特点成立了地质调研小组，对超前地质预报作业制定了 “全面正规、长短结合、贯穿全程、因地制宜”的工作原则。
（1）“全面正规”：是指在编制标书时就进行了隧道施工期间的全面地质工作内容、方法的设计，施工期间有专门从事地质工作的技术人员及专门的用于地质预报工作的设备、仪器，对隧道超前地质预报有全面系统的管理制度、措施和指导施工生产的高效的反馈机制。
（2）“长短结合”：各种超前地质预报方法各有千秋，单独采用一种方法往往精度达不到要求。而长、短期超前地质预报方法的结合，则可以互相取长补短，有效提高超前地质预报的准确性。
（3）贯穿全程、因地制宜：由于隧道围岩地质的隐蔽性、复杂性，全面正规的地质工作必须贯穿于施工的全过程，这样才能从根本上保证隧道施工的安全、快速进行。同时为了达到经济、合理的目的，则需要因地制宜地在不同的围岩中采用不同的隧道超前地质预报方法，如在围岩地质较好的地段中采用结构面调查法就可以对施工中隧道周边岩块稳定性进行较准确的判定等。
4.2方法及设备选型
4.2.1确定长期超前地质预报方法及设备
根据雁门关隧道设计施工情况，我们选用了目前国际上最先进的隧道及地下工程探测设备TSP－202超前地质预报系统进行长期超前地质预报。它的探测距离为250－500m（硬岩300－500m，软岩250－400m），有效解译距离为150m，最高分辩率可达1.0m，具有探测、解译距离远，分辩率高的优点，最适合作长期超前地质预报。
TSP-202超前地质预报系统可以解决的主要技术问题可以分为两类：
（1）能探测掌子面前方存在的断层、特殊软岩，掌子面前方存在的溶洞和岩溶陷落柱、岩浆岩岩体等特殊地质体；
（2）能预报不良地质体的性质、位置和规模，概略地判断不良地质体的围岩级别。
TSP-202超前地质预报系统能达到的主要技术指标：
（1）对不良地质体的地质性质判断，一般较准确；
（2）对不良地质体的位置判断精度可达90%以上；
（3）对不良地质体的规模的判断精度可达85%～90%。
4.2.2短期超前地质预报的方法
短期超前地质预报又称跟踪预报，它是在长期超前地质预报的基础上进一步开展的预报工作。一般多在隧道的部分构造复杂、不良地质多发区的局部地段进行。针对雁门关隧道的地质情况，我们采用了掌子面地质编录预测法、工作面上的浅孔钻探法、导坑探测法等短期超前地质预报方法。通过这些方法，目的是向施工决策人提供掌子面前方15～30m范围内较准确的围岩地质条件和不良地质的情况，并粗略地预报地质灾害发生的可能性。
5 超前地质预报在雁门关隧道施工中的应用
我们利用TSP－202超前地质预报系统对施工全过程进行了探测，目的是为开挖指明工作面前方概略的地质轮廓，从而对不良地质和围岩类别的变化作好思想和物质准备，做到心中有数并在施工中，对围岩异常区段谨慎施工，对正常段快速掘进（石质好时可暂时不进行初期支护而进行连续掘进），最终达到加快掘进速度的目的。我们利用“全面正规、长短结合、贯穿全程、因地制宜”的超前地质预报模式对隧道施工围岩地质提前有了一个比较准确的掌握，在雁门关隧道施工中对与设计不符的地质地段用所掌握地质数据及时与设计代表、驻地监理进行会勘，前后变更设计共有18段，从而保证了隧道施工及结构上的安全。
5.1超前地质预报综合应用于F16断层的施工
施工图设计的F16断层里程为YK111+657～+627，共30m，地质描述为：斜长片麻岩，F16断层破碎带及其影响带，断层走向75º，倾角80º，为正断层，断距约12m，带内岩石破碎，呈碎块状压碎结构，受地质影响很严重，节理很发育，岩体声速1.67～2.93km/s，拱顶易坍塌，侧壁易失稳，较富水，可能有断裂充水的危险。
针对F16断层我们专门进行了一次长期超前地质预报，结果如下：
雁门关隧道右线TSP探测与超前地质预报
（第3－2号）
2002年8月7日
5.1.1基本参数：传感器里程为YK111+770；掌子面里程为YK111+714；隧道断面为12.4×6m；爆破孔21个，布置在左壁（面向掌子面），间距1.5m；传感器1个，布置在左壁（面向掌子面）YK111+720；最大探测距离：掌子面前方320m；有效解译距离：掌子面前方150m；弹性波平均传播速度3.26km/s；隧道走向350°－170°；主要断层走向70°－75°。   
 
5.1.2有效超前地质预报（150m）：                                        表1
序号 里  程 围岩地质预报
1 YK111+714～+689（25m） 稳定性较好的正常围岩
2 YK111+689～+673（16m） 断层破碎带及其影响带，易掉块及坍塌
3 YK111+673～+644（29m） F16断层破碎带及其影响带，宽度大、破碎疏松、而且富水的张性断层破碎带，估计围岩极易坍塌
4 YK111+644～+611（33m） 稳定性较好的正常围岩
5 YK111+611～+596（15m） 新发现断层破碎带及其影响带，易掉块及坍塌
6 YK111+596～+564（32m） 稳定性较好的正常围岩
5.1.3部分仅供参考的超前地质预报                                            表2
序号 里  程 围岩地质预报
1 YK111+564～+491（73m） 稳定性较好的正常围岩
2 YK111+491～+480（9m） 新发现断层破碎带及其影响带，易掉块及坍塌
3 YK111+480～+401（79m） 稳定性较好的正常围岩
4 YK111+401～+387（14m） 新发现断层破碎带及其影响带，易掉块及坍塌
5 YK111+387～+373（14m） 新发现断层破碎带及其影响带，易掉块及坍塌
根据以上预报，原设计F16断层始见里程YK111+657不准确，预报里程为YK111+673，宽度为29m，终止里程为YK111+644，岩体破碎，富水。
通过探测，我们了解到F16断层提前出现，从而在思想、人员、物资设备上都作了充分的准备，并在YK111+690开始了更为详尽的掌子面地质编录工作。
5.1.4备注：
(1)本预报，涌水量≤1m3/h为多水，＞1m3/h为富水。
(2)本预报区段不会有很大的涌水，主要是注意坍塌和塌方的防治。
(3)上述里程以隧道左壁为准，各带均始见于左壁，右壁出现的位置略向掌子面方向偏移，并消失于右壁。
掌子面开挖至YK111+675时，围岩开始变化，受地质构造影响较严重，节理较发育，并出现了与F16断层产状接近的大节理，根据掌子面地质观测表明：马上就要进入F16断层。为了更准确地了解前方围岩及水文地质情况，我们用三臂台车施作工作面上的浅孔钻探，钻深17m，钻探过程中，根据钻进的时间、速度、压力、岩屑成份、卡钻、跳钻和岩性、构造及地下水情况了解地质条件。眼钻至3.2m深时，排出黑褐色岩粉，鉴定为断层破碎带内所特有的黑云母及角闪石风化而成的绿泥石的混合物。说明在YK111+671.8已进入了F16断层破碎带及其影响带；钻到11m深时，钻孔口出水量增大，停止钻孔后测其涌水量约为2.3m3/h，说明涌水量不大，与TSP-202超前地质预报系统探测结果相符。http:/www.667e.com随后我们在YK111+650处进行的浅孔钻探表明，F16断层里程为YK111+643.5，比TSP-202超前地质预报系统探测结果提前0.5m。表明TSP-202超前地质预报系统探测的精度比较高。我们根据以上地质超前预报结果，与监理、设计代表现场会勘后对F16断层的里程进行了变更设计。
开挖后的实际地质情况表明：利用上述两种方法确定的断层破碎带及其影响带里程和水文地质情况精度是相当高的，从而保证了施工的安全、快速进行。
            雁门关隧道主要断层TSP－202探测结果与实际情况对比表：        表3
断层名称 实际情况 设计情况 TSP202探测结果
 位  置 宽度 位  置 宽度 位  置 宽度
F22 112＋550~＋610 60 112＋620~＋665 45 112＋548~＋610 62
F20 112＋037~＋051 14 112＋030~＋050 20 112＋039~＋052 13
F19 111＋762~791 29 111＋745~+780 35 112+763~+790 27
F16 111+645~+673 28 111+627~+657 30 111+644~+673 29
F13 111+2545~+273 19 111+273~+280 7 111+256~+274 18
F10 111+749~+768 19 110+729~+737 8 110+751~+768 17
5.2超前地质预报在本隧道的其他应用
在YK111+120～YK110+200的施工中，由于我们采用的是上导坑开挖，TSP-202长期超前地质预报的结果可以得到更迅速的验证，再结合开挖面的地质素描、岩体结构面调查及地下水调查等地质工作，便可以准确地掌握各段围岩的地质特征。
例如在YK112+380处，我们根据掌子面附近的岩体结构面调查（如下图），预测下一排炮拱顶将出现厚约1.5m，宽约2.5m的不稳定岩体层，因而在施工中及时加强超前支护措施（在不稳定岩体周围布设双层超前注浆锚杆，开挖后及时喷砼及架设钢拱架等），从而避免了拱顶掉块坍塌。
 
又例如在YK110+200～+387段，原设计为Ⅳ类围岩，经过长短结合的地质预报表明该段围岩比较破碎，易失稳，从而使我们在上导坑的开挖中及早做好各项针对不良地质的施工准备，如加工钢筋格栅，准备导管等。开挖后经与设计院的两位地质专家现场会勘，对该里程段原Ⅳ类围岩变更为Ⅱ类围岩，从设计上保证了隧道结构及施工中的安全。
6 结束语
(1)在隧道施工中，只要充分掌握了地质情况，按照目前的施工技术水平，不管多么困难的地段都有办法安全、顺利的通过。这也说明了在隧道施工中地质工作的重要性。我们在雁门关隧道施工中采用的地质超前预报模式，http://www.667e.com为该隧道的顺利安全而提前贯通作出了一定贡献。
(2)由于超前地质预报工作需要比较专业的技术知识和价格较高的地质雷达等仪器设备，因此推广起来有一定难度。但我们相信，随着人们对隧道超前地质预报重要性的更进一步认识和科技的迅猛发展，以及相关专业人员的不懈努力，一定会有操作更简单、探测更准确、计算机处理水平更高的超前地质预报系统应运而生，为我国的隧道建设作出更大贡献。
地铁遂道