1、地質部分講稿二：隧道超前地質預報方案案例：青島膠州灣隧道魏江川講稿二：隧道超前地質預報方案案例：青島膠州灣隧道魏江川 楊茂林( 中鐵西南科學研究院 610031 )【摘要】 超前地質預報工作應當編制相應的地質預報方案，海底隧道尤應如此。地質預報方案編制前，必須充分掌握熟悉隧道施工場區的地質背景條件。不同的地質背景，地質條件不同、地質復雜程度不同,勘察預報在難度、手段、工作量等方面都不同,因此有不同的地質預報方案。本文闡述了隧道超前地質預報工作的目的、性質，編制超前地質預報方案的指導思想，著重強調地質觀察研究在地質預報工作中的重要性。通過對超前預報相關合同文件所規定的預報手段的效用及特點的闡述，

2、和人們對地質背景條件的不同認識，提出了膠州灣隧道不同的地質預報方案，同時對地質預報工作提出了建議。不當之處，敬請指正。關鍵詞： 地質預報 地質觀察研究 預報手段 方案 建議 一、前言膠州灣地區地殼運動頻繁，斷裂構造眾多，巖漿活動強烈，巖性復雜多變。膠州灣隧道地質勘察難度極大，茫茫海域，雖動用了大量人力物力，但地質界線仍多屬推測。由于地質勘察工作的局限，必然存在難以探察的、隱伏的地質問題。海域段的斷裂破碎帶、巖體接觸擠壓破碎帶內，巖石強度低，易風化，自穩能力差；此外還有極易風化的輝綠巖脈、煌斑巖脈和可能存在的膨脹性圍巖。在這些不良地質地段存在著滲透破壞、發生突涌水或隧道坍塌變形、甚至海水倒灌的可

3、能。這些突發性地質災害將嚴重危及施工安全，能否開展好施工期間的超前地質預報工作，做到超前預判，及時決策處理突發性地質災害，是膠州灣隧道建設成敗的關鍵。二、超前地質預報工作的目的和性質2.1 超前地質預報的主要目的探明隧道工作面前方及兩側的，為隧道施工提供依據，以期有效預防地質災害,保障隧道施工安全。具體應達到以下目的：(1) 進一步查清因前期地質勘察工作的局限，而難已探察的、隱伏的地質問題；根據掌握的地質災害前兆信息，超前預報地質災害，及時改進施工工法，調整施工工藝，確定防災預案，進而指導工程施工的順利進行。(2) 有效地降低地質災害發生的機率和風險。(3) 為變更設計提供地質依據。(4) 為

4、編制竣工文件提供地質資料。2.2 超前地質預報工作的性質 科研性對于地質體必須如實了解、認識和反映它，才能為隧道施工提供依據。由于隧道受埋藏條件、勘察手段和方法的限制，地勘成果對地質體的本來面貌不可能準確無誤的反映，而只能是具有一定精度和可靠程度地反映。隧道地質勘察設計及施工期的地質預報的過程，是運用地質科學和有關自然科學的理論與方法，不斷地觀察研究各種地質現象，力求正確認識和反映其客觀規律的過程。觀察（包括對實地的地質勘察、室內鑒定、測試等）是對客觀地質體實際取得感性認識的科學實踐；研究是綜合各方面取得的觀察材料，進行分析、判斷、推理，進一步掌握地質現象的內部聯系及其規律的科學概括。地質的觀

5、察研究應貫穿于隧道地質勘察設計和施工期間地質預報工作的始終，是取得對地質體特點與規律性認識的基本方法。地質觀察研究在地質預報工作中起著主導作用和樞紐作用，通過地質觀察研究所獲得的地質認識，影響著超前地質預報手段的布置；也影響著隧道施工應急預案和施工方案；還影響著對工程進度、投資等的評估和決策。所以對于膠州灣隧道海域段施工，必須始終重視地質觀察研究工作，否則就不能更好地指導隧道施工生產。 生產性作為隧道施工的一個關鍵工序，要消耗一定的人力、物力、資金和時間，它關系到施工安全、質量、效益、進度。必須堅持從“實際出發”的原則，在確保不遺漏不良地質體，保障施工安全的基礎上，按照實際需要決定各項超前地質

6、預報手段，才能取得比較理想的隧道生產經濟效果,達到多、快、好、省的目的。為此要加強地質預報、設計、施工、業主、監理等單位的合作，必要時請專家論證，按實際情況布置各項工作。三、關于超前地質預報方案的編制3.1 方案編制的指導思想 (1) 必須依據工作地區的地質條件及可能允許的工作條件進行編制。 (2) 堅持從實際出發，實事求是，遵循工作程序，合理選擇，綜合使用有效的方法和手段制定工作方案，發揮各種方法和手段的特長。 (3) 要盡力采用與推廣先進技術，超前地質預報必須充分發揮地質觀察研究的主導和樞紐作用，努力提高勘察預報效果。 (4) 要明確各項工作的質量要求和保證質量的技術措施，使各項工作和資料

7、達到規范所規定的質量標準。3.2 方案編制要求(1) 必須堅持為隧道施工服務；(2) 必須加強地質條件、地質規律的研究。地質勘察、地質預報有一個重要的特點，就是重視地質規律的研究。對危及隧道施工安全的不良地質體的規律認識比較接近客觀實際，勘察效果、預報效果質量就高，給隧道設計、施工建設的指導性就強；如果對地質現象觀察研究不夠，對不良地質體的認識與客觀實際相差較大，勘察效果、預報效果質量就差，就會給隧道設計、施工建設帶來困難與后患。應當指出：超前地質預報方案的地質依據和結論往往帶有預測和推斷的性質，海域段地勘資料尤其如此。這就是說，超前地質預報方案不同于其它工程設計或施工方案，而具有很大探索性，

8、應當允許有一定的探索工作量，所以對于超前預報方案既不能看成不可更動的文獻，也不能看成隨時可變的草案。在工程施工過程中隨實際材料的積累和通過地質觀察發現地質情況與原勘察設計不一致時，應及時地進行修改和補充,并上報業主、監理審批。3.3 預報技術手段的效用及特點膠州灣隧道依據合同擬采用的預報手段有：服務隧道超前、超前地質鉆孔取芯、超前水平鉆孔、超前探孔、物探、地質編錄。現將其效用特點簡介如下：(1) 服務隧道：服務隧道超前是先行探明隧道總體地質條件，了解不良地質體空間分布、工程水文地質特性、注漿堵水所需的工藝地質條件等最有效的手段。前已述及設計圖地質界線是推斷，服務隧道的揭露最直觀，對各種地質現象

9、的觀察，遠勝于物探及鉆探取芯等手段。同時它又是設計要求建設的洞室，不需額外增加經費，所以也是最經濟的手段。通過地質編錄可發現許多地質現象引起我們注意，雖然得到的不一定完全代表主隧道,但通過它制作的地質平面圖，極具指導意義。由于埋深相對較大、斷面小、開挖較安全。(2) 超前地質鉆孔取芯：指采用專業地質鉆機進行鉆孔取芯或孔內攝像專門獲取前方地質信息的一種手段，能獲得較為詳盡的地質素描、影像資料及水文資料，探測長度30米。但它是間接觀察，因巖芯直徑受限，且受取芯率影響，不利于地質觀察，精度等不如服務隧道，如對可注漿地質條件的判斷較困難、斷裂產狀難以確認，且耗時較長。(3) 超前水平鉆孔：根據鉆進速度

10、、時間、壓力、卡鉆、跳鉆、出渣、出水情況等間接獲得的一些地質、水文信息。通常也是采用地質鉆機鉆孔，可進行孔內攝像，耗時較短，探測長度30米。但不利于地質觀察，精度等遜色于鉆孔取芯。(4) 超前探孔：指鉆爆施工時通過超前加深炮孔，根據鉆進速度、時間、壓力、卡鉆、跳鉆、出渣、出水情況等間接獲得的一些地質、水文信息。不利于地質觀察，精度、探測長度等遜色于鉆孔，探測長度通常僅有10米。但耗時短，施工方便。(5) 物探：包括TSP203、HSP、負視速度法、地質雷達、瞬變電磁、紅外探測等方法。操作方便，耗時短。但物探方法存在三個特性，也是其缺點。 物探方法必須實行兩個轉化才能完成超前地質預報的任務：先將

11、地質問題轉化為地球物理問題，才能使用物探方法去觀測。在觀測取得數據后（所得異常），只能推斷具有某種或某幾種物理性質的地質體。然后經過綜合研究，并根據地質體與物理現象間存在的特定關系，把物探結果轉化為地質的語言圖示，從而去推斷異常地質體。最后還得通過鉆探、坑道等工程去驗證，肯定（或否定）其地質效果。 物探異常具有多解性。產生物探異常現象的原因，往往是多種多樣的，這是由于不同的地質體可以有相同的物理場，故造成物探異常推斷的多解性。所以工作中采用單一的物探方法，往往不易得到較肯定的地質結論。一般情況下應合理地綜合運用幾種物探方法，并與地質觀察研究緊密結合，才能得到較為肯定的結論。 每種物探方法都要求

12、要有嚴格的應用條件和使用范圍，因為異常地質體的地球物理特征及自然條件因地而異，影響物探方法的有效性，如用物探探測工作面前方與隧道軸向近于平行的結構面，探測效果很差或幾乎探測不到。(6)地質編錄：包括原始地質編錄和綜合地質編錄。 原始地質編錄，指服務隧道、正洞、鉆孔等的素描、文字描述及影像資料。在掌子面及其前方（地質鉆孔取芯）及隧道兩側，把直接觀察到的地質現象經分析研究，并運用地質規律和地質理論推測作業面前方及隧道兩側的地質條件，如利用巖漿巖體邊緣相帶特征推測巖體接觸破碎帶等。 綜合地質編錄,原始編錄是綜合編錄的基礎，兩者不可分割，原始編錄須經嚴格質量檢查或核實，認為合格無誤，方能應用于綜合地質

13、編錄。如利用服務隧道、正洞制作的地質平面圖，具有非常重要的超前預報價值，指導性很強。四、推薦的超前地質預報方案簡述膠州灣隧道在海域段軸向總體呈南北向。對膠州灣隧道的地質認識有兩種觀點，從而引發對地質條件、地質復雜程度、勘察難度的看法不同，要求采用的預報手段力度、密度也不同，因此可擬出二套地質預報方案。4.1 方案一 此方案中的地質條件筆者認為膠州灣隧道穿越的主要巖體為中深成相花崗巖體、淺成相脈巖和超淺成相侵入巖（次火山巖），沒有或僅有極少量的相當于燕山早期形成的青山群地層火山噴發沉積巖。主要構造格局為先后形成的兩期菱形格子構造：早期的近南北向和近東西向高角度共軛斷裂，后期的北東向和北西向的高角

14、度共軛斷裂。此外可能有小規模的呈緩傾角產出的逆斷層。水文地質條件相對較簡單，主要為基巖構造裂隙水。存在的主要不良地質體有：斷裂（與隧道軸向大角度相交的東西向斷裂，近于平行的南北向斷裂，與隧道軸向呈斜交關系的北東向和北西向斷裂）；小規模的緩傾角逆斷層；巖體接觸破碎帶（產狀復雜，傾角通常較陡）；推測在部分后期熱液蝕變強烈的斷裂構造帶及巖體接觸破碎帶中可能出現的呈脈狀或囊狀體產出的膨脹性圍巖；可能呈捕虜體或呈小規模的殘留頂蓋產出的青山群地層；易風化的煌斑巖脈和輝綠巖脈；巨晶長英質巖脈。 預報方案相應的超前預報方案如圖1,探測手段布置如下：1、物探手段TSP必須全程施作，搭接長度20m，在其異常地段視

15、具體情況確定進一步的勘察手段，如地質雷達、瞬變電磁、水平地質鉆孔取芯、超前探孔等。2、服務隧道超前，可先行探明隧道總體地質條件，如巖性，北東、北西、東西向斷裂，逆斷層，部分巖脈（包括煌斑巖脈、輝綠巖脈）及其接觸破碎帶，膨脹性巖體和青山群地層等走向與洞軸向夾角較大的不良地質體。因此，應堅持服務隧道超前正洞150 m以上的原則，并盡可能加快服務隧道進度。在主隧道與服務隧道同時需要進行超前預報時，應服務隧道優先。對于走向與洞軸近于平行的南北向斷裂及其他不良地質體，當夾角在5°15°時，需超前335129m，若服務隧道超前距離不足時，為不影響工期，保障正洞開挖，可考慮:在正洞施作超

16、前小導洞（當夾角在5°15°時，需超前9030m）先行探明地質條件,擴挖時拱部邊墻加強超前探孔，此方式山嶺隧道常用，但海底隧道可行否？應論證。在正洞掌子面加強超前地質鉆孔取芯或孔內攝像(30m,2-4孔)及側向探測。3、超前探孔，全程施作，孔深10-15m，搭接長度5m。服務隧道2-6孔，布置于服務隧道拱部；主洞4-8孔，布置于主洞上臺階。 4、超前水平鉆孔，、級圍巖全程施作。視具體情況進行孔內攝像，孔深30m，搭接長度：服務隧道5m；主隧道8m。服務隧道1-2孔，布置于拱頂或拱腰位置；主洞1-3孔，布置于拱頂及遠離服務隧道一側的拱腰位置，或掌子面中部。5、超前地質鉆孔取芯

17、，視具體情況施作。配合超前水平鉆孔探測，彌補超前水平鉆孔地質觀察的不足。孔深30m，搭接長2m。 服務隧道：1孔，布置于拱頂部位。對在勘察期間發現的不良地質體，如斷層破碎帶、巖體接觸破碎帶、破碎巖脈、逆斷層等；施工中物探發現異常；或超前炮眼探孔發現卡鉆、跳鉆、有水等異常時施作。 主洞：1-2孔，布置于拱頂及遠離服務隧道一側的拱腰位置。對勘察期間和服務隧道發現的不良地質體及施工中其它預報手段探測到的異常地段，采用超前水平地質鉆孔取芯探測。 為防范與洞軸近于平行的斷裂及其他不良地質體（包括產狀復雜的巖體接觸帶），尤其當有邊墻巖石相對較為破碎、滲水、圍巖蝕變等異常現象時，應作適當的側向探測，包括物探

18、和地質鉆孔取芯探測（頻率：5-30m/次）。 6、對服務隧道、主隧道全程進行地質編錄，并制作地質平面圖用以指導超前地質預報工作。注意：同一斷面超前探孔、超前鉆孔及地質鉆孔取芯應相互合理搭配，探、鉆孔數量應依據地質復雜程度、圍巖級別、涌水量、不良地質危害程度等具體情況確定。當發現有青山群火山噴發沉積巖地層時，參考方案二。4.2 方案二 此方案中的地質條件該方案建立在原設計地勘資料上。此觀點認為海域段3950m有3400m左右為火山角礫凝灰巖、晶屑凝灰巖、沉凝灰巖、熔巖等火山噴發沉積巖構成的青山群地層，有550m左右是后期侵入巖脈。主要地質構造為北東向和北西向斷裂。地下水為基巖構造裂隙水。若確實如

19、此，那么這看似簡單的地質條件可能極為復雜。因為形成于燕山早期的青山群地層，在燕山晚期和喜山期大規模的構造運動下必然會褶皺（見照片1）、斷裂（包括層間斷裂），其內部本身可能還存在不整合面和后期侵入巖體。這些不良地質體的產狀、形態更難查明，相應的水文地質條件復雜多變，除基巖構造裂隙水外，還可能有層間裂隙水，聚水向斜構造等。前已述及，筆者不同意此觀點，但灣域中可能有少量的青山群地層呈捕虜體或小規模的殘留頂蓋形式出現，因此當發現有青山群火山噴發沉積巖地層時，相應的勘察手段布置，應在方案一的基礎上加強探測手段。預報方案方案二實為方案一的補充方案。1、物探、服務隧道超前及地質編錄工作同前述。2、超前探孔，

20、全程施作。服務隧道3-6孔，布置于拱部；主洞5-8孔，布置于上臺階。3、超前水平鉆孔：需作孔內攝像，、級圍巖須全程施作。服務隧道1-2孔，布置于拱頂或拱腰位置；主洞1-3孔，布置于拱頂及遠離服務隧道一側的拱腰位置，或掌子面中部。4、超前地質鉆孔取芯，、級圍巖必須全程施作，以期大致發現巖性變化、褶皺、斷裂構造和部分層間構造及其水文地質條件。 服務隧道：1-2孔，布置于拱頂部位或拱腰部位； 主洞：-3孔，布置于拱頂、拱腰和掌子面中部位置； 為防范與洞軸近于平行的斷裂及其他不良地質體，應作適當的側向鉆孔取芯探測5-30m/次； 地質鉆孔取芯應與超前水平鉆孔相互搭配，避免取芯耗時過長，孔深及搭接長度同方案一。五、建議膠州灣隧道目前已編制完成包括地質預報和監控量測在內的施工技術信息化管理實施辦法，在此基礎上建議：1、針對隧道不同段落的地質復雜程度，圍巖級別，涌水量及不良地質危害程度，提出不同的地質勘探要求，進行施工地質分級。同時建立剛