超前地质预报在大瑶山隧道施工中的应用

超前地质预报在大瑶山隧道施工中的应用
王艳芳
(中铁十二局集团第二工程有限公司,太原　030032)
摘　要:采用以TSP203地质超前预报方法为主的超前地质预报,综合预报隧道前方的地质情况,保证隧道施工安全。

简要介绍对溶洞、溶腔的超前预报手段的应用。

关键词:大瑶山隧道;超前地质预报;实施方案
文章编号:1009-6477(2007)05-0088-04 中图分类号:U455.4 文献标识码:A
Application of Lead Geological Foreca st in Dayao shan Tunnel Construction
Wang Yanf ang
Abstract:Adopting lead geological forecast mainly TSP203geological lead forecast,integrated with geological situation in front tunnel,s o to ensure safe tunnel construction.This paper gives a brief introduction to application of lead geological forecast to forecast leach holes,diss olved chambers.
K ey w ords:Dayaoshan Tunnel;lead geological forecast;im plementation s olution
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程度的积极手段,是隧道施工的“侦察员”。

进行隧道施工,必须对施工隧道围岩地质情况有一定程度的了解,而且了解越详细、越真实,就越能保证施工安全、优质、快速地进行。

隧道超前地质预报就是要从时间上提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显得十分重要。

1　工程概况
大瑶山3号隧道位于南岭山系大瑶山山区,相对高差>400m。

DK1924+583～DK1931+700段为碎屑岩～浅变质岩分布区,属侵蚀构造型低山,其主要特点为深切割,陡坡,峡谷发育;DK1931+700～DK1932+970段为碳酸盐分布区,属溶蚀构造型低山,岩溶十分发育。

主要岩溶地貌形态以丘陵及谷地为主,微地貌为溶沟、溶槽、岩溶漏斗、落水洞等十分发育;地下岩溶如溶洞、管道流等均发育,地形起伏相对较小,地形相对高差一般为100m左右,最大约300m。

该段隧道通过的地层主要是砂页岩及灰岩、白云质灰岩互层。

隧道所在区域属武江水系,溪沟十分发育,多呈树枝状。

隧道地下水主要有碳酸岩岩溶水、基岩裂隙水2类。

由于是长大铁路隧道,工程地质条件和水文地质条件复杂,常遇到不良地质,易出现坍塌、涌水等现象,给隧道施工带来极大的困难。

2　超前地质预报的必要性和意义
不同的岩石类型由于地壳的构造运动而出现不同的地质构造,对隧道施工的影响作用各不相同。

隧道穿越的褶皱、断裂、岩溶、含水岩层、软弱岩带等,都是影响隧道施工的主要地质因素。

如果在大瑶山3号隧道施工前不了解和掌握这些潜在的特殊地质和特殊岩土,如砂泥岩中的断层破碎带和含水情况,岩溶,沉积岩、变质岩因为风化和淋滤作用而形成的软弱风化带等,这些因素将会对隧道施工产生不利影响。

因此,为了减少或避免灾害性地质现象的发生,必须进行超前地质预报。

在施工中使用超前地质预报的意义主要为:
(1)降低地质灾害发生的几率,确保隧道施工安全。

由于进行预报,能够提前了解开挖面前方围岩的地质情况,并在施工中有针对性地采取预防措施,因此能够有效地控制突泥、涌水、涌砂、坍方等地质灾害的发生,从而避免或减少由此造成人员及设备的损伤。

(2)地质超前预报工作可进一步查清因前期地
公路交通技术　2007年10月　第5期 T echnology of Highway and Transport　Oct.2007　No.5
收稿日期:2007-03-14
质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题,进而指导工程施工顺利进行。

(3)为支护参数的合理变更提供必要的依据。

通过地质预报,可以获得开挖面前方存在的特殊地质现象,以及岩层的物理特性和力学参数,为设计支护参数合理变更提供必要的依据。

(4)确保质量,控制投资。

有了地质预报,能够及时了解隧道围岩存在的地质情况,提前对软弱岩层进行预加固,有依据地合理变更施工参数,确保隧道连续挖进,赢得施工时间。

(5)为编制竣工文件提供地质依据。

3　地质超前预报方法
目前国内外超前地质预报设备和技术较多,主要有TSP超前地质预报系统、探地雷达、超前钻探、地质素描等。

如何准确地预测隧道开挖面前方及其周围的工程地质和水文地质情况,做到有的放矢地采用与地质情况相适应的开挖方法与支护手段,预防可能出现的各种地质灾害而不影响隧道的掘进,正是TSP 系统所能发挥的效用。

因此,为了保证隧道安全顺利施工,应采用以TSP203地质超前预报方法为主,地质雷达和掌子面素描、超前水平钻探等预报方法为辅的超前预报手段来综合预报工作面前方的地质情况。

3.1　地质超前预报组织机构和人员设备配置
项目部成立专业超前地质预报室,配备地质及试验专业工程师、测试技工;配备TSP203地质超前预测与预报仪、SIR-3000探地雷达和RPD-150C 型水平地质钻机(表1)。

在施工期间先采用TSP203进行预测,然后再通过地质雷达和水平超前钻孔进一步确认前方地质情况,及时准确地采取措施,确保岩溶地段的施工安全。

根据本隧道的工程地质特点,为保障施工安全,采用地面预报和洞内预报相结合的模式,并主要以洞内预报为主。

表1　隧道地质超前预报工作所需仪器设备
名称数量
TSP203Π台1
地质雷达Π台1
超前水平钻机Π台1
数码相机Π部2
笔记本电脑Π台2
应变仪Π台1
水压仪Π台5
3.2　地质超前预报工作实施方案
针对隧道不同段落的地质复杂程度,提出地质超前预报的不同要求,把隧道的地质超前预报工作分为3个等级(表2)。

表2　地质超前预报工作分级
地质超前预报分级
A
(严重)
B
(较严重)
C
(一般)
因子影响程度1.地质复杂
程度(含物
探异常)
(1)岩溶发育
程度
岩溶管道、暗河、大型岩溶
腔体
密集溶隙管道,中小型岩
溶腔体
溶隙、溶孔、局部小型溶隙
管道
(2)涌水、涌泥
程度
大型突水、突泥形成灾害,
高水压
中～小型突水、突泥,可能
成小型灾害
小型涌水、涌泥
(3)断层稳定
程度
大型断层带,性态差、富
水,形成大型失稳坍方,可
能酿成大型事故
中型断层带,软弱,中～弱
富水,个别中型坍方,可能
酿成中～小型事故
中小型断层,弱富水,小型
坍方
2.(地质因子)对隧道施工影响
程度
危及施工安全,影响工期存在安全隐患可能存在安全问题
3.诱发环境问题的程度形成环境灾害
施工、防治不当,可能诱发
环境问题
特殊情况下可能出现一般
环境问题
4.处理措施
综合开展地质素描,
TSP203、地质雷达、洞内摄
像、超前水平钻预测。

首
先以长距离TSP203和一种
短距离物探方法相结合进
行预测,同时进行多孔超
前钻探探查
在隧道里开展地质素描,
TSP203辅以地质雷达,进
行必要的单孔超前水平钻
孔
以地质素描为主,对重要
地质(层)界面、断层或物
探异常可采用TSP203进行
探明,必要时进行单孔超
前钻探
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2007年　第5期 王艳芳:超前地质预报在大瑶山隧道施工中的应用
3.3　地质超前预报工作方法
根据不同的地质超前预报分级,针对不同类型的地质问题,选择不同的方法和手段开展超前地质预报。

武广客运专线大瑶山3号隧道,地质条件复杂。

为了确保探明隧道开挖面前方的地质情况,在TSP数据采集时,根据地层岩性的复杂性和地质构造条件的不同,灵活设计观测系统,最终达到解决地质问题的目的。

3.3.1　资料收集
(1)既有资料和相关地质成果的收集和分析。

对存疑虑的相关重大地质问题和地段,必要时可进行踏勘和补充适当的地质工作。

(2)地质素描。

地质超前预报最基本的工作,包括正洞洞壁地质及掌子面地质素描。

其主要内容包括:
①地质观测。

包括:
地层岩性:地层时代划分,岩组划分,岩石划分,岩体性态,切割程度,围岩等级等。

断层:断层性质、位置、产状、破碎带宽度及构造岩划分,断层岩体的围岩级别划分及稳定性评价。

断层坍方的地质原因是地质素描的重点。

贯穿性节理:产状、密度、宽度、延伸情况,节理面特征,力学性质。

分析判断组合特征,岩体完整性程度,控制局部坍方的构造内因。

②水文调查。

包括:出水点位置、水量、水压、水温、水色、悬浮物(泥砂等)测定;出水点和地质环境(地层、构造、岩溶、暗河等)的关系;地表相关气象、水文观测;判断洞内涌水与地表径流、降雨的关系。

③岩溶调查。

包括:岩溶规模(形态),位置(洞体里程),所属地层和构造部位,充填物(成分、状态),洞体展布的空间关系。

(3)变形监测测试。

隧道周边位移量测,包括拱顶下沉、净空水平收敛及必要时增设的隧底上鼓量测(采用仪器为收敛计、水准仪、塔尺)和隧道地表下沉量测(采用仪器为水准仪、塔尺等)。

3.3.2　超前地质预报
(1)预报内容:地层、完整性及含水情况;断层及富水情况;大型岩溶及富水情况。

(2)预报方法:地质编录预测法;超前钻探预报法;TSP203、地质雷达等物理探测法。

长距离超前地质预报:其预报距离为150～200 m,以TSP203为手段结合地面地质工作综合预报。

短距离超前地质预报:其预报距离在15～30m 以内,是在长距离超前地质预报的基础上,以地质雷达等为手段并结合掌子面地质素描工作综合预报。

一般情况下,在每个开挖方向进行地质超前预报,每次预报距离为100～200m,并保持在距离上的连续性。

数据采集时采用X-Y-Z三分量检波器接收,采样间隔62.5μs,记录长度451.125ms(7218采样数)。

目的是能够采集到更高频率的地震信号,确保探测的分辨率。

隧道地质条件复杂时,例如岩溶、破碎带和断层以及风化带等,将采用特殊TSP观测系统进行探测。

即在隧道的左右边墙分别激发地震波,2个检波器同时接收,目的是获得更多的地震信息,排除多解性,提高预报的准确度。

为确保预报结果的可靠性,预报距离宜在100m左右。

当隧道地质条件简单时,则采用常规的观测系统。

即在隧道的左或右边墙激发地震波,2个检波器同时接收。

预报距离可达150～200m。

3.3.3　地质超前预报工作记录及资料
地质超前预报资料整编:
(1)地质超前预报编录、施工地质展示图;
(2)洞内涌(突)水、涌(突)泥实录及摄影;
(3)变形实录及摄影;
(4)洞内超前地质物探资料及成果图表;
(5)洞内水平钻孔布置图、钻孔柱状图、钻探日志(或记录);
(6)地质超前预报预测综合成果图及分析报告;
(7)地质超前预报工作总结。

4　超前地质预报在大瑶山3号隧道施工中的应用利用TSP203超前地质预报系统对施工全过程进行探测,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,最终达到加快掘进速度的目的。

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。

在大瑶山隧道施工中,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8段,从而保证了隧道施工及结构上的
09 公　路　交　通　技　术 2007年
安全。

4.1　超前地质预报综合应用于平导岩溶段施工
2005年9月27日,大瑶山3号隧道出口平导在施工至P BK1+063时地质发生变化,但设计图中未说明。

为了确保安全,通过TSP203进行超前预报,对得出结果进行了分析,确认在掌子面前方约8m 左右存在溶洞。

项目部立即采用超前小导管、钢拱架、增加锚杆、挂网等支护措施,并准备了应急物资,安排技术干部和安全员在掌子面值班,并做好每一循环的地质素描、围岩级别判定卡等记录,要求施工队采用短进尺开挖。

在施钻时要利用风枪先打几个超前探孔探测一下,如发现异常立即停工,及时报告项目部研究施工方案。

2005年10月5日晚上8点,施工至P BK1+ 056.3处后,在超前小导管施工时发现孔口有黄色泥浆流出,即停止施工。

说明在P BK1+056.3已进入溶洞影响带,随后又通过水平超前深眼钻探(探进约20m仍为泥浆)。

根据以上资料,基本确定溶洞里程为P BK1+054.3,比TSP203超前地质预报系统探测结果提前0.7m,表明TSP203超前地质预报系统探测的精度比较高。

为防止此溶洞产生严重突水、突泥等地质灾害,在掌子面采取了超前帷幕注浆,注浆加固范围为设计开挖轮廓线外5m。

4.2　超前地质预报应用于正洞岩溶施工
在正洞施工中,项目部将TSP203作为一道工序进行施作。

在TSP203地质超前预报结果中显示,大瑶山3号隧道出口DK1932+733～DK1932+690可能为溶洞发育地段。

项目部提前从DK1932+740开始改变支护参数,加强围岩初期支护(该段支护原设计为Ⅱ级围岩,现改为按Ⅲ级围岩加强断面进行支护),并在每个循环钻爆前利用风枪打超前探孔。

技术干部在现场值班,密切观察围岩的变化情况,做好地质素描记录。

施工至DK1932+736时,开挖出一个大约3m 深的溶腔,溶腔内为黄色干塑胶结泥充填,故立即停止施工,上报设计、监理单位,制定相应的溶洞处理方案。

这再次表明TSP203超前地质预报系统探测的精度较高。

5　体会
在隧道施工中,只要充分掌握地质情况,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、顺利地通过。

这也说明在隧道施工中地质工作的重要性。

施工中采用地质超前预报模式,对该隧道安全提前贯通作出了一定贡献。

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,因此推广有一定难度。

但随着人们对隧道超前地质预报重要性的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,使我国的隧道建设跃上一个新台阶。

(上接第80页)
调整立模标高是主梁线形最直接的调控手段。

各种误差引起主梁标高变化,都通过调整立模标高予以修正。

立模标高建议值为:立模标高=成桥目标线形-f
1
+f2+f3。

式中,f1为成桥阶段(考虑3
年徐变效应)各截面的累积竖向位移;f
2
为预计挂
篮产生的变形,由加载试压提供;f
3为使用阶段活载在该点产生的挠度影响。

表2及图1给出了3#墩左右两侧在施工中不同工况下的立模标高,并与实测值进行了对比。

5.6　监控报告
悬臂浇筑的每一施工节段循环完成以后,由现场监控小组向建设方和设计方提交相应阶段的监控报告。

报告中将评述桥梁结构当前的力学状况、变形情况以及安全稳定情况,提出改进施工方法或构造设施的建议,提出下一个混凝土节段的立模标高建议值和有关参数的理论值,经审批后交施工方实施。

参考文献
[1]　马保林.高墩大跨连续刚构桥[M].北京:人民交通出
版社,2001.
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