摘要：集义隧道将多种超前地质预报技术相结合，成功穿越高瓦斯工区和断层破碎带，本文将该隧道的多种超前地质预报技术加以分析和研究，着重对超前水平探孔、加深炮孔以及 TSP超前地质预报技术进行了阐述，结合工程实例指出运用综合超前地质预报技术在高风险隧道施工中的重要性。
关键词：隧道；高瓦斯；断层破碎带；综合超前地质预报；风险；安全
1 工程概况
集义隧道位于黄龙山中低山区，地处关中盆地的东北边缘和陕北黄土高原的南缘，隧道全长15412米，为单洞双线隧道。隧道围岩以砂岩、泥岩为主，隧道先后经过11条大的断裂带，设计有5个段落共2413m为高瓦斯工区，施工中有较大的安全风险。设计要求采用超前地质预报技术对全隧进行风险监控指导施工，避免发生地质灾害。
2 超前地质预报的内容
内容包括：地层岩性预测预报；地质构造预测预报；不良地质预测预报；瓦斯含量、瓦斯压力、涌出量探测。
3 超前地质预报方法及工艺
针对集义隧道的不良地质以及高风险隧道的特征，结合目前国内隧道施工地质预报现状，采用地质法、物探法、钻孔法相结合的综合方法进行地质预报，以相互验证，有效指导施工。
施工中集义隧道全隧运用地质素描法、地质雷达法、TSP和加深炮孔等预报方法，高瓦斯工区采用超前水平钻孔法进行钻探。
3.1 地质素描
地质素描对开挖面前方岩体进行短距离预报，是一种直观、准确的预测资料。掌子面地质素描在隧道作业每一开挖完成后立即进行。每一开挖完成后，应立即对掌子面地质情况进行观察和测定，使用罗盘仪测定岩体的产状，采用强光手电观察岩体的裂隙数量、宽度和裂隙水的出流状况，利用地质锤敲击崩落的洞渣据以判断岩石的强度和类型，并用数码相机拍摄地质摄影图，通过采集到的掌子面地质数据及时准确的填写掌子面地质素描记录表，根据不同循环开挖面的地质变化情况及时调整支护参数，指导施工。若在开挖面采集数据时发现地质状况明显变差时，应根据应急预案采取措施防止危险发生。
3.2 加深炮孔
加深炮孔探测是利用风动凿岩机在隧道掌子面钻孔，通过钻进过程中钻杆的抖动、钻进速度的变化情况，以及孔眼中出水的清浊及颜色颜色情况，对开挖面前方6～10m范围的地质岩层整体性、含水构造、水量及水压进行预测，在地质雷达和地质预报法分析的基础上，用加深炮孔钻探法进一步对比较差的围岩地段取得可靠的资料。
加深炮孔预报法应在每循环开挖前施做。在每次开挖钻孔前，指定在拱顶1处，两侧拱腰各1处，共打设计3处助眼，孔深3～6m。该隧道施工中，除利用加深炮孔进行常规的探测项目，在成型的炮孔中及时对孔内瓦斯浓度进行检测，探测前方有害气体特别是瓦斯气体的赋存情况，取得可靠的资料。
3.3 地质雷达预报
地质雷达预报是一种短距离地质预报技术，可以对TSP超前地质预报的准确性作为验证和补充，探测距离一般为15～35m，搭接长度5m。采用地质雷达技术，可以探测前方岩体的完整程度和不良地质状况以及前方岩体的含水状况。通过地质雷达采集的数据，可以及时帮助施工现场选择正确的开挖方式以及合理的支护参数，及时调整施工方案，避免发生安全事故。
图1 地质雷达探测原理
3.4 TSP超前地质预报
采用TSP 对隧道前方的地质特性进行预测预报，每次预测距离为150～200m，根据预测的结果分析围岩的地质情况。针对该隧道断层破碎带多、游离有害气体溢出可能的复杂性和多变性的工程地质特点，结合各种预报方法的适用范围，对隧道一般围岩地段每隔150m～200m用地质雷达探测一次，对TSP探测断层、裂隙发育的地段可采用超前钻孔进行重点探测。同时每个开挖循环根据地质素描对前方围岩进行判断。
在综合地质超前预报中的各种方法中，TSP作业快，测距长，干扰相对少，可以与多种预测法结合应用，但精度不高，解释难度大，适于作长距离预测，同时应采取其他预报技术对TSP的预测结果进行验证和补充。
3.5 超前水平探孔
超前水平钻孔作为该高瓦斯隧道施工中主要的探测手段，与加深炮孔和TSP超前地质预报共同构成该隧道综合超前地质预报防范安全风险的壁垒。
超前水平钻孔一般采用在初期支护和掌子面完成封闭后进行，以确保人员和机具的安全。通过钻机向掌子面前方岩体进行钻探，施工现场根据钻头钻进速度的变化、岩芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其它情况和钻孔资料来推断隧道前方的地质情况，及时进行数据的采集和记录，查明地前方是否存在地质异常体和涌水状况，并通过钻进距离确定地质异常区域的准确位置，利用瓦斯检测设备检测钻孔中的瓦斯浓度，判断前方岩体中的瓦斯赋存状况，据此及时调整施工方案，指导安全生产。
图2 超前钻探工艺流程图
该隧道在超前水平探孔施工中，在掌子面布置3处孔位，分别在拱顶和两侧拱腰。隧道开挖进入高瓦斯工区前30m，在掌子面施做超前钻孔，孔深20～30m，钻孔直径不宜小于76mm，详细记录岩芯资料。在实施超前水平探孔过程中，安排一名专业瓦斯检测人员在掌子面检测瓦斯浓度，另安排一名专职瓦检员检测钻孔内的瓦斯浓度，至少每1．5 m检测一次。如果在钻进过程中，出现卡钻、突进现象时，应立即停止钻进，瓦检员及时检测钻孔内的瓦斯浓度情况，排除瓦斯涌出情况后，方可恢复钻探施工，同时技术人员应做好做好详细记录。记录包括孔位位置、开孔时间、终孔时间、孔深、钻进压力、钻进速度随钻孔深度变化情况、冲洗液颜色和流量变化、涌砂、空洞、振动、卡钻位置、突进里程、冲击器声音的变化等。如果掌子面出现瓦斯聚集或者瓦斯浓度超限时，应立即断电熄火，现场所有施工人员应立即撤离出开挖面至安全区域，并及时加大风机运行功率，及时通风对掌子面瓦斯浓度进行稀释和抽排，当确认瓦斯浓度降至安全值时，方可继续作业。
采集记录的数据应及时进行整理和分析，保证预报成果的及时性和指导性，作为下一步施工方案的调整依据，确保施工安全
4 超前地质预报信息处理
根据多种地质预报技术获得的技术开挖面前方地质信息，相互验证并经过专业技术人员的综合分析，及时提出最终的地质预报资料，作为制定或调整施工技术方案的依据。超前地质预报的结果应体现出及时性，有异常情况时应及时通知监理单位和设计单位，并按照应急预案的处理措施，准确应对异常情况，确保不良地质情况的发展始终处理安全可控状态。
施工过程中应将实际开挖的地质情况与预报结果进行对比分析，及时总结经验，指导和改进地质预报工作。
在施工过程中地质预报与设计地质情况不符时，对地质作进一步核对和描述，发现与设计不符，特别是围岩类别低于设计提供的或发现地质异常时，应先采取有效措施防止坍方或其它情况发生。然后报建设单位、监理、设计单位补充调查处理，以保证施工安全。
5 集义隧道综合超前地质预报技术工程实例
5.1 TSP预报结果
2018年05月19日，在集义隧道进行了超前地质预报，采用TSP200仪器进行数据采集。震源点位于左侧墙，设计24炮，实际激发24炮，炮点间距约1.5m，传感器桩号DK491+740。本次探测范围为DK491+790～DK491+940，共150m。探测结果如下表：
表1 TSP探测结果
根据TSP探测结果，预计围岩较差，开挖后易发生掉块和塌方的段落有：DK491+819～DK491+845和DK491+876～DK491+901。
5.2 加深炮孔预报结果
2018年05月29日，在蒙华铁路MHTJ-10标段集义隧道大里程掌子面进行了加深炮孔探测，并对施做过程进行了记录。本次探测范围为DK491+819～K0+825，共6m。施工记录如下。
表2 加深炮孔预报结果
5.3 结果对比分析
根据TSP长距离预报的结果，DK491+819～DK491+845为异常段，开挖后易掉块、塌方；根据加深炮孔探测的结果，DK491+819～DK491+825为异常段，围岩比较破碎、且易发生涌水风险。
综合比较长、短两种预报方法的探测结果，异常段基本吻合，开挖至DK491+821时，拱顶渗水严重、围岩破碎，现场及时变更增加了超前小导管预支护，确保了施工安全。
6 结论和体会
经过对集义隧道综合超前地质预报技术的分析，以及工程实例的验证，在集义隧道超前地质预报工作中，通过不断地探索、实践和总结，逐渐形成了高风险隧道以长距离地质预报（TSP）为主，高瓦斯段落以及断层破碎带以短距离地质预报（超前水平钻、加深炮孔）为辅的综合地质预报技术方案。该隧道于2018年9月顺利贯通，并未发生一起瓦斯爆炸和冒顶塌方事故。
目前，国家高速发展的铁路建设中，已经将综合超前地质预报作为隧道施工的一项基本工序进行管理，只要认真施做，多种超前地质预报技术相互验证和充分，科学分析，定能在施工中发挥重大的作用，防范安全风险。
参考文献：
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[3]TB20120-2002，铁路瓦斯隧道技术规范［S］.
[4]TB10304-2009，铁路隧道工程施工安全技术规程［S］.
论文作者:刘海涛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/24
标签：地质论文; 超前论文; 隧道论文; 瓦斯论文; 钻孔论文; 围岩论文; 情况论文; 《基层建设》2019年第10期论文;