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超前地質預報在雁門關隧道施工中的綜合應用

08-22 12:13:33  瀏覽次數:983次  欄目:地鐵遂道
標簽:工程設計, 超前地質預報在雁門關隧道施工中的綜合應用,http://www.tljciu.live
隧道超前地質預報是防止隧道開挖時發生突發性災害、保證施工工期、施工質量和評判圍巖穩定與否的積極手段。它是隧道施工的“偵察員”。“知己知彼,百戰不殆”。進行隧道施工,必須對施工的隧道圍巖地質情況有一定程度的了解,而且了解的越詳細、越真實,就越能保證施工的安全、優質、快速進行。
隧道超前地質預報就是要從時間上提前距離上超前了解隧道圍巖地質情況。從一定意義上說,設計院提交的隧道設計縱斷面圖、地質總平面圖等資料也是隧道施工超前地質預報的成果,但由于勘察設計精度的限制及隧道地質的復雜性等種種原因,設計圖中常常遺漏很多只有在隧道施工中才能發現的不良地質體,因而對圍巖特征描述就不是十分準確。因此在隧道實際施工中進行超前地質預報就顯得十分重要了。
2 超前地質預報的國內外現狀
在國外,如瑞士、日本等發達國家進行隧道建設過程中,隧道施工地質工作都是重要的、不可或缺的工序,重視隧道施工地質工作已成為管理部門和廣大工程技術人員的共識。
在我國,1996年-1998年鐵道部第一勘測設計院西安分院首次在秦嶺特長隧道開展了施工地質綜合測試工作及超前地質預報工作,并將地質工作貫穿隧道施工全過程。這實際上是在開展全面隧道施工地質工作的道路上邁出的極重要的一步。可以預見,全面、正規的隧道地質超前預報工作必然要納入隧道建設的重要日程上來。
3 工程概況
雁門關隧道是山西新原高速公路的咽喉工程,是國內在建最長的公路隧道,雙線四車道,凈寬11m,凈高7.5m,全長10395m,這樣的長大隧道工期緊(僅22.5個月)、任務重(月成洞在130m、月掘進160m以上),對施工單位提出了更高的要求。
該隧道位于恒山山脈西段,屬構造隆起上升區,主要經歷了五臺期、呂梁期和燕山期構造的影響。隧址區內共有斷層27條,其中切穿洞軸線的有13條,表現為高角度的正斷層和逆斷層,斷層均為發育寬度不等的破碎帶,帶內巖體破碎,節理與構造裂隙密集發育,穩定性差,隧道穿越時容易發生掉塊或大的坍塌現象。尤其是F12、F16、F18、F19、F20和F22斷層內巖石多為角礫巖、碎塊巖、斷層泥等。帶內裂隙極發育,呈散體結構,力學強度低,穩定性極差。圍巖巖性復雜多變:主要有泥巖、頁巖、泥質白云巖、泥灰巖、灰巖、凝灰巖、流紋巖、安山巖、黑云斜長角閃片麻巖、斜長角閃巖、變質花崗巖等。
4 超前地質預報模式的匹配
超前地質預報按預測距離的長短分為兩種,一種是長距離的預報,稱為長期超前地質預報;一種是短距離的預報,稱為短期超前地質預報。它們各有不同的預報距離,預報方法和技術手段,承擔不同的任務,也具有不同的精度。
4.1制定原則
我們在雁門關隧道施工中,針對隧道圍巖地質復雜多變的特點成立了地質調研小組,對超前地質預報作業制定了 “全面正規、長短結合、貫穿全程、因地制宜”的工作原則。
(1)“全面正規”:是指在編制標書時就進行了隧道施工期間的全面地質工作內容、方法的設計,施工期間有專門從事地質工作的技術人員及專門的用于地質預報工作的設備、儀器,對隧道超前地質預報有全面系統的管理制度、措施和指導施工生產的高效的反饋機制。
(2)“長短結合”:各種超前地質預報方法各有千秋,單獨采用一種方法往往精度達不到要求。而長、短期超前地質預報方法的結合,則可以互相取長補短,有效提高超前地質預報的準確性。
(3)貫穿全程、因地制宜:由于隧道圍巖地質的隱蔽性、復雜性,全面正規的地質工作必須貫穿于施工的全過程,這樣才能從根本上保證隧道施工的安全、快速進行。同時為了達到經濟、合理的目的,則需要因地制宜地在不同的圍巖中采用不同的隧道超前地質預報方法,如在圍巖地質較好的地段中采用結構面調查法就可以對施工中隧道周邊巖塊穩定性進行較準確的判定等。
4.2方法及設備選型
4.2.1確定長期超前地質預報方法及設備
根據雁門關隧道設計施工情況,我們選用了目前國際上最先進的隧道及地下工程探測設備TSP-202超前地質預報系統進行長期超前地質預報。它的探測距離為250-500m(硬巖300-500m,軟巖250-400m),有效解譯距離為150m,最高分辯率可達1.0m,具有探測、解譯距離遠,分辯率高的優點,最適合作長期超前地質預報。
TSP-202超前地質預報系統可以解決的主要技術問題可以分為兩類:
(1)能探測掌子面前方存在的斷層、特殊軟巖,掌子面前方存在的溶洞和巖溶陷落柱、巖漿巖巖體等特殊地質體;
(2)能預報不良地質體的性質、位置和規模,概略地判斷不良地質體的圍巖級別。
TSP-202超前地質預報系統能達到的主要技術指標:
(1)對不良地質體的地質性質判斷,一般較準確;
(2)對不良地質體的位置判斷精度可達90%以上;
(3)對不良地質體的規模的判斷精度可達85%~90%。
4.2.2短期超前地質預報的方法
短期超前地質預報又稱跟蹤預報,它是在長期超前地質預報的基礎上進一步開展的預報工作。一般多在隧道的部分構造復雜、不良地質多發區的局部地段進行。針對雁門關隧道的地質情況,我們采用了掌子面地質編錄預測法、工作面上的淺孔鉆探法、導坑探測法等短期超前地質預報方法。通過這些方法,目的是向施工決策人提供掌子面前方15~30m范圍內較準確的圍巖地質條件和不良地質的情況,并粗略地預報地質災害發生的可能性。
5 超前地質預報在雁門關隧道施工中的應用
我們利用TSP-202超前地質預報系統對施工全過程進行了探測,目的是為開挖指明工作面前方概略的地質輪廓,從而對不良地質和圍巖類別的變化作好思想和物質準備,做到心中有數并在施工中,對圍巖異常區段謹慎施工,對正常段快速掘進(石質好時可暫時不進行初期支護而進行連續掘進),最終達到加快掘進速度的目的。我們利用“全面正規、長短結合、貫穿全程、因地制宜”的超前地質預報模式對隧道施工圍巖地質提前有了一個比較準確的掌握,在雁門關隧道施工中對與設計不符的地質地段用所掌握地質數據及時與設計代表、駐地監理進行會勘,前后變更設計共有18段,從而保證了隧道施工及結構上的安全。
5.1超前地質預報綜合應用于F16斷層的施工
施工圖設計的F16斷層里程為YK111+657~+627,共30m,地質描述為:斜長片麻巖,F16斷層破碎帶及其影響帶,斷層走向75º,傾角80º,為正斷層,斷距約12m,帶內巖石破碎,呈碎塊狀壓碎結構,受地質影響很嚴重,節理很發育,巖體聲速1.67~2.93km/s,拱頂易坍塌,側壁易失穩,較富水,可能有斷裂充水的危險。
針對F16斷層我們專門進行了一次長期超前地質預報,結果如下:
雁門關隧道右線TSP探測與超前地質預報
(第3-2號)
2002年8月7日
5.1.1基本參數:傳感器里程為YK111+770;掌子面里程為YK111+714;隧道斷面為12.4×6m;爆破孔21個,布置在左壁(面向掌子面),間距1.5m;傳感器1個,布置在左壁(面向掌子面)YK111+720;最大探測距離:掌子面前方320m;有效解譯距離:掌子面前方150m;彈性波平均傳播速度3.26km/s;隧道走向350°-170°;主要斷層走向70°-75°。   
 
5.1.2有效超前地質預報(150m):                                        表1
序號 里  程 圍巖地質預報
1 YK111+714~+689(25m) 穩定性較好的正常圍巖
2 YK111+689~+673(16m) 斷層破碎帶及其影響帶,易掉塊及坍塌
3 YK111+673~+644(29m) F16斷層破碎帶及其影響帶,寬度大、破碎疏松、而且富水的張性斷層破碎帶,估計圍巖極易坍塌
4 YK111+644~+611(33m) 穩定性較好的正常圍巖
5 YK111+611~+596(15m) 新發現斷層破碎帶及其影響帶,易掉塊及坍塌
6 YK111+596~+564(32m) 穩定性較好的正常圍巖
5.1.3部分僅供參考的超前地質預報                                            表2
序號 里  程 圍巖地質預報
1 YK111+564~+491(73m) 穩定性較好的正常圍巖

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