城市地铁隧道超前地质预报应用研究

雷凯; 李立功

【期刊名称】《《工程地球物理学报》》 【年(卷),期】2019(016)005 【总页数】7页(P607-613)

【关键词】地铁隧道; 超前地质预报; 铁路山岭隧道 【作 者】雷凯; 李立功

【作者单位】中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津300308 【正文语种】中 文 【中图分类】P631.3 1 引 言

据2018年底数据显示，目前中国大陆已有43座城市经国家发改委批准建设城市轨道交通，获批项目总投资额高达万亿，每年投资额超过3 500亿元,我国已经成为了世界上规模最大、发展最快的城市轨道交通建设市场。城市地铁隧道是城市轨道交通体系中最常见的重要组成部分，隧道施工，尤其是复杂地质条件下的隧道施工面临着诸多隐伏的地质灾害问题。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一种积极手段[1-5],是在分析已有相关地质资料的基础上，利用地质调查、物探、超前钻探等方法，对隧道掌子面前方的工程地质、水文地质情况及可能存在的不良地质体的位置、规模等进

行探测，并分析预报[6-8]。准确而有效的预报工作，不仅可为城市轨道交通隧道施工节约大量成本、加快施工进度，更重要的是可完善整个施工过程中的基础地质资料，提高隧道工程的施工质量，具有巨大的经济效益和广泛的社会效益。 2 必要性分析

通常情况下，铁路山岭隧道处于远离城市,且人烟、构筑物相对稀少的区域，其隧道断面较大，洞顶埋深较深。超前地质预报在铁路山岭隧道施工中已被列为必不可少的一项技术环节，其主要用于进一步探明地质条件复杂以及前期勘察孔较少的段落的工程地质及水文地质情况。

尽管城市地铁隧道前期勘察的精度要求要高于铁路山岭隧道，但由于其主要处于构筑物众多、人口密集、交通发达的城市地下，因此在地表进行的各种地质勘察，受到城市构筑物、行人、交通以及自身技术手段等相关条件的制约，仍无法完全准确地探明隧道的真实工程地质、水文地质情况[9]。同时，城市地铁隧道普遍埋深较浅，其大多位于土层、土岩分界面及风化岩层附近，地层结构松散、地下水较发育、节理裂隙较发育，围岩分级以III～V级为主。因此，城市轨道交通隧道施工时，若在对隧道开挖面前方地质条件掌握不足的情况下盲目开挖，极易出现隧道内涌水、突泥，地面沉降、塌陷等工程地质灾害。这不仅会对地铁隧道工程本身产生严重的影响，还将连带引起如地面建筑物沉降倾斜、地面交通阻断瘫痪、地面人身伤亡等更恶劣的社会影响，其后果远比铁路山岭隧道复杂和严重得多。

超前地质预报作为地质勘察在施工阶段的延续和补充，能进一步从横向上提供更多更详尽的地质资料，从而对隧道施工中潜在的风险和危害及时提出预警与建议，避免灾害的发生和扩大，同时这也符合城市轨道交通动态设计与信息化施工的建设理念[10,11]。 3 方案及对策研究 3.1 工程概况

广州市轨道交通21号线工程(图1)西起广州市天河区，依次经过萝岗区、增城市，止于增城市荔城区增城广场，全长约61.5 km，其中地下线长约40.0 km，穿山隧道6.8 km，地上线14.7 km。由于其地下线及穿山隧道里程较长，该线全线矿山法施工暗挖隧道段采用了超前地质预报方法。广州地铁21号线也是全国首例由地铁公司招标对全线暗挖隧道进行超前地质预报的地铁工程。

21号线隧道开挖的主要工程地质问题为：①由不赋水或赋水较少的地段进入赋水量较多的地段时，由于岩体破碎，地下水较发育，接触带、裂隙发育处导水性好，易发生突水突泥现象；②花岗岩强、全风化带遇水易软化崩解，开挖过程中若不加重视，易造成隧道坍方、冒顶；③由于埋深较浅，隧道开挖过程中，可能造成覆盖砂土层失稳、流土、流砂等，从而引起地面沉降。 3.2 超前地质预报技术方案

针对广州市轨道交通21号线隧道工程的特殊性，超前地质预报工作主要采用了以下四种预报手段：①全隧道洞内跟踪地质素描；②全隧道开展TSP超前地质探测(能爆破作业区域)；③在长距离预测采用TSP后，短距离采用地质雷达进行预报[12,13]；④根据勘察、物探等成果，对隧道洞身为软弱围岩段、构造发育段、地表地势起伏较大段、物探异常段等开展超前水平钻探。

预报工作运用了地质、物探、钻探三种方法，将长距离预报与短距离预报相结合，定性预报与定量预报相结合，上下进行对照，多方法、多频次相互印证，进行综合施工超前地质预报，同时对地铁隧道特殊段落有针对性地开展预报工作，以提高重点地段预报的质量和精度。

图1 广州市轨道交通21号线工程地理位置示意图Fig.1 Geographical location diagram of Guangzhou rail transit line 21 3.3 地铁隧道超前预报与铁路山岭隧道工作对比

与铁路山岭隧道超前地质预报相比，在地铁隧道中进行超前地质预报其在开展形式

上与铁路山岭隧道大同小异，但要解决的安全及技术方面的问题更多。表1为地铁隧道超前预报与铁路山岭隧道工作差异对比。

表1 地铁隧道超前预报与铁路山岭隧道工作差异对比Table 1 Comparison between the geological advance prediction of subway tunnel and railway mountain tunnel序号差异类型铁路山岭隧道地铁隧道原因1物探预报方法主要采用TSP探测,辅以地质雷达探测主要采用地质雷达探测,辅以TSP探测TSP是有效的长距离预报手段。但在城市里许多区域不允许爆破作业,因此城市中预报工作主要以地质雷达为主,只有在允许进行爆破作业的区域才开展TSP工作。2预报距离TSP:120～150 m地质雷达:30 mTSP:80～120 m地质雷达:15～30 m地铁隧道埋深相对较浅,洞身围岩相对较差,地震波、电磁波在其中传播衰减较快,因此TSP、地质雷达的有效探测距离缩短。3TSP工作触发模式瞬发电雷管+常规触发延时电雷管+断路触发城市爆破作业中所使用的雷管均为延时电雷管,TSP工作中采用断路触发方式可以有效解决记录的地震波信号不规律延迟的问题[14]。4超前水平钻探工作开展超前水平钻一般一个循环30 m,部分区域采取加深炮孔探测主要采用加深炮孔探测,探测深度约5～10 m地铁隧道大多埋深较浅,洞身多处于土层或土岩风界面附近,存在上软下硬的情况,且地下水较丰富。若盲目采用较长距离超前水平钻探进行预报,在钻探期间,其对隧道顶部软弱层及含水部位的扰动极易导致出现突水以及地面沉降等现象。因此多采用短距离的加深炮孔探测。

续表1序号差异类型铁路山岭隧道地铁隧道原因5特殊地段预报工作长距离预报快速探测,短距离预报精准探测,同时开展超前水平钻探地面地质调绘,加密地质素描频次,多种物探手段综合预报,慎重开展超前水平钻探地铁隧道地面构筑物较多,因此需多开展地面地质调绘了解地面情况。针对隧道可能下穿建筑物区域,由于可能存在桩基础,应慎重开展超前水平钻探。可通过加密素描频次以及综合物探查明掌子面前方地质情况[15]。6围岩变更施工方依据现场情况和预报资料向建设方及设计

方提出围岩变更,预报方间接参与预报资料作为勘察资料的补充,预报方作为勘察方的一部分直接参与围岩变更地铁隧道围岩变更主要参照掌子面实际揭示情况以及预报资料,且需进行五方确认。预报方作为勘察方的一部分,其提供的地质素描资料是围岩变更的最重要的地质依据。 4 典型工程实例

广州市轨道交通21号线长平—金坑区间2号隧道位于广州市萝岗区境内，全长2 558 m，该段隧道所在区域地质条件复杂，拱顶埋深较浅，土质覆盖层厚度变化较大，洞身穿过地层上软下硬，且有部分段下穿广汕公路。为广州市轨道交通21号线的关键性工程。

4.1 TSP和地质雷达法图像解译与开挖对比

根据前期勘察、设计等资料，广州市轨道交通21号线长平—金坑区间2号隧道DK25+899～+799段主要穿过微、中、强风化花岗岩，中、强风化带岩体较破碎—破碎，节理裂隙较发育，且往小里程方向，微风化岩岩面逐渐降低。

为进一步了解和掌握该段隧道围岩的地质情况，在DK25+899处进行了TSP探测，考虑到浅埋段隧道，围岩情况相对较差，地震波衰减较快，因此数据采集前，必须保证接收器孔和炮孔的质量。炮孔倾角选择向下倾10～15°，炸药置于孔底后需对其进行水封或泥封，炮孔角度向下是为了保证达到较好的水封震源效果；安装接收器套管前，应将接收器孔内的残渣、积水等清理干净，安装过程中，须保证套管与周围介质紧密接触，力求套管全部进入岩体，同时采用环氧树脂进行耦合，目的是减小套管的不正当震颤，降低有效波能量在套管周围界面上的能量损失。采集过程中，采用断路触发器进行触发，这样可以有效解决爆破延时和信号不规则问题，保证了地震波走时的一致性和TSP探测的精度。数据处理及分析过程中，应结合已有的地勘资料，建立最佳的初始模型，进行多次正反演，参照与已有的资料对比解释。

图2和图3分别为TSP探测得出的探测段岩石力学参数图和2D成果显示图，通过对TSP探测资料的分析，并结合现场掌子面揭示实际地质情况和详勘资料，初步推测探测段围岩地质情况如表2所示。

图2 岩石力学参数Fig.2 Rock mechanics parameters

图3 2D成果显示Fig.3 2D diagram表2 TSP探测成果Table 2 The statistical table of TSP detection results

序号里程长度/m推测结果1DK25+899～+87227围岩主要为微—中风化岩,岩体较完整,节理裂隙不发育,局部少量发育,地下水不发育。2DK25+872～+85022围岩主要为中—强风化岩,岩体较破碎,节理裂隙较发育,地下水较发育。

3DK25+850～+83911围岩主要为微—中风化岩,岩体较完整—较破碎,节理裂隙少量发育,地下水较发育。4DK25+839～+79940围岩主要为强风化岩,岩体较破碎—破碎,节理裂隙较发育,地下水较发育。

从TSP探测成果中可见，探测段隧道在DK25+872处围岩地质情况变差。为保证施工安全,进一步探明物探异常段及高风险段的围岩地质情况，隧道开挖至DK25+877处时进行了地质雷达探测。

地质雷达探测的目的是通过短距离预报方法以及多种物探方法综合预报来更全面地探查地铁隧道重点段落的地质情况。地铁隧道的断面相对较小，地质雷达在掌子面的测线也因此相对较短，为保证探测质量，应尽量选择掌子面较为干燥的时候进行探测，这是由于电磁波在水中衰减极快；另外，采集时雷达天线应尽可能地紧贴掌子面，使其达到最佳的耦合效果，保证数据质量。数据处理时，应参照现场揭示情况和已有的地勘资料，选择合适的滤波方式，使探测结果尽可能地反应出真实的地质情况。图4为地质雷达探测成果图。

图4 地质雷达探测成果Fig.4 Ground penetrating radar detection results注：1.预报段隧道均为花岗岩，并不涉及溶洞情况；2.雷达天线位置位于掌子面，测线

也是在掌子面上(纵坐标)，横坐标为预报的里程段表3 地质雷达探测成果Table 3 The statistical table of ground penetrating radar detection results 序号里程长度/m推测结果1DK25+877～+8734岩体较完整,节理裂隙不发育。2DK25+873～+85221岩体较破碎,节理裂隙较发育,且地下水较发育。3DK25+852～+8475岩体较完整,局部较破碎,节理裂隙少量发育。

从地质雷达探测图中可以看出，DK25+877～+873段(0～4 m)电磁波信号较为均一，同相轴连续，且反射振幅不强，推测该段岩体较完整，节理裂隙不发育；DK25+873～+852段(4～25 m)电磁波为不均匀的中等偏低频信号，同相轴时断时续，振幅较强，且存在多次反射，同时左侧信号振幅明显高于右侧，推测该段岩体较破碎，节理裂隙较发育，地下水较发育，且左侧岩体含水量大于右侧；DK25+852～+847段(25～30 m)电磁波整体反射信号不强，少数振幅较强，同相轴较为连续，推测该段岩体较完整，局部较破碎，节理裂隙少量发育。 针对预报成果，施工单位及时采取了相应的措施进行开挖，并选用合理的支护方式进行后续支护。后期开挖揭示，隧道开挖至DK25+873处时围岩情况开始变差，DK25+873～+854段围岩主要为中—强风化花岗岩，岩体较破碎，节理裂隙较发育，且地下水较发育，隧道拱顶左侧存在线状出水。DK25+854～+840段围岩主要为中风化花岗岩，岩体较完整，局部较破碎，节理裂隙少量发育，围岩较为潮湿。DK25+838～+799段围岩主要为强风化花岗岩，岩体破碎，岩质软，节理裂隙发育，地下水较发育。开挖后掌子面揭示情况与预报结果基本一致(图5、图6中掌子面均已采取相应注浆止水处理)。超前地质预报的准确性得到了充分印证，同时也对可能存在的地质灾害段起到了提前预警的作用，为隧道施工提供了更充分的地质依据。

5 结 论

1)隧道超前地质预报作为地质勘察在施工阶段的延续和补充，可以为地铁隧道的设计和施工提供更多更详尽的地质依据，及时为隧道施工中可能存在的地质风险进行预警，降低灾害发生的可能性，保证施工安全，真正做到动态设计与信息化施工。 2)城市地铁隧道埋深较浅，下穿建筑物交通要道较多，围岩地质情况复杂，施工难度较大，超前预报方法以及其有效探测距离与山岭隧道均有不同。应根据具体情况有针对性地开展超前地质预报工作，包括预报手段的选择、预报频次的选择等。 3)城市地铁隧道围岩变更过程中，预报方直接参与，地质素描资料是围岩变更依据的最重要的地质资料。

4)超前地质预报工作在广州市轨道交通21号线隧道施工期间，扮演了相当重要的角色，取得了不错的预报效果，对施工掌子面前方隐伏的地质危害起到了提前预警作用。超前地质预报值得在城市轨道交通领域进行进一步的推广。 参考文献：

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