王 充 (中國路橋工程有限責任公司，北京 100100)

0 引言

肯尼亞內(nèi)羅畢至馬拉巴標軌鐵路一號隧道位于內(nèi)羅畢城區(qū)西南側(cè)，是該鐵路的主要風險點，隧道出口附近存在陡崖，粗面巖出露，多形成危巖、落石，陡崖下覆蓋層較厚，有一條小型沖溝由左向右從隧線分界附近通過，除出口陡崖和進口局部山坡外，部分地段為見基巖出露。

既有的工程地質(zhì)詳勘報告為全線的地質(zhì)勘察，勘察點布置僅能描述部分地質(zhì)情況，對于復(fù)雜的地質(zhì)，巖層裂隙分布較多，尤其是洞口風化程度較大的地層，其很難準確地描述該地質(zhì)的詳細特征，對于工程施工安全造成不可控的風險。

隧道進出口段易發(fā)生坍塌、掉塊。洞身較完整段局部受節(jié)理、裂隙切割較破碎段和風化不均勻段拱頂易掉塊。局部節(jié)理密集帶可能存在滲水等。對本隧道的不同段落進行地質(zhì)復(fù)雜程度分級。根據(jù)地層巖性、物探異常、水量等變化，動態(tài)調(diào)整地質(zhì)復(fù)雜程度分級和預(yù)報方法。

1 工程概況

內(nèi)馬鐵路一期全長120km，其中內(nèi)馬一號隧道全長4498m，隧道進口里程DK34+826，出口里程DK39+324。隧道進口段位于R=-1200m 的右偏曲線上，其余段落均在直線上，隧道的縱坡采用7‰。因為工期緊張，且施工時序問題，隧道設(shè)置斜井一座[1]，斜井位置位于線路左側(cè)，與左側(cè)線路中心交點，和平面夾角70°，斜井平距約500m，斜井進洞采用11.5%的下坡，采用無軌單車道運輸[2]。

一號隧道位于Kapiti 高原向東非大裂谷過渡地帶，屬于東非大裂谷東翼區(qū)，地形起伏較大，地勢略向東南傾斜，植被茂密，溝谷不發(fā)育，地面高程約為1877m～2005m。進口地勢整體較為平緩，左側(cè)有一小沖溝與出口段近平行，右側(cè)山體臨近南環(huán)采石場。洞身地形相對平坦，有村莊、學校及耕地分布，土路縱橫，出口附近存在陡崖，粗面巖出露，多形成危巖、落石，陡崖下覆蓋層較厚，有一條小型沖溝由左向右從隧線分界附近通過。整個隧址區(qū)覆蓋層廣布，地表植被發(fā)育，除出口陡崖和進口局部山坡外，其他地段為見基巖出露。

2 工程地質(zhì)特征

2.1 地層巖性

經(jīng)對工程場地工程地址調(diào)繪，場地內(nèi)出露的主要地層有第四系全新統(tǒng)坡積層、沖積層、火山堆積層和第四系更新統(tǒng)，根據(jù)調(diào)查，對場地發(fā)育地層描述如下：粉質(zhì)黏土（Q4al），棕紅色，土質(zhì)較均勻，局部含少量砂礫或石塊；塊石土（Q4dl），灰色，稍密至中密，稍濕，成分主要為粗面巖，塊徑約20cm～20cm，III 級硬土，主要分布在出口附近，為陡崖崩塌堆積體；細砂（Q4vl），灰色，稍密至中密，稍濕，成份主要為火山噴發(fā)物，I級松土，主要分布在隧道出口粉質(zhì)黏土層之下，靠近陡崖逐漸變厚，呈喇叭口狀分布；粗角礫石（Q4vl），灰褐色，稍密至中密，稍濕，礫石成份主要為粗面巖，II 級硬土，主要分布在隧道出口附近，靠近陡崖處漸厚。

粗面巖：石英含量變化較大，該套地層具有風化不均勻的特點，弱風化。強風化和弱風化巖體之間沒有穩(wěn)定的風化界限或風化帶。常以某一種風化程度為主，夾雜（包裹）其他風化程度，相互穿插變化，風化巖體節(jié)理根發(fā)育，慣性好，以張節(jié)理為主，充填物多為粉質(zhì)黏土，主要分布在隧道中后段。玄武巖：以強風化-弱風化層為主，巖芯呈柱狀及碎塊狀，節(jié) 長5cm～30cm，碎 塊 徑5cm～10cm，錘擊聲響，不易碎，見結(jié)構(gòu)裂隙，表面較平整，呈銹黃色。主要分布于隧道進口附近，層度不均。凝灰?guī)r：凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，狀塊構(gòu)造，巖質(zhì)較軟，較輕，全風化，原巖結(jié)構(gòu)已損壞，巖石風化呈土狀。碎屑狀，夾殘余強風化碎塊，手捻可碎，強風化，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，狀塊構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，錘擊易碎，層厚1.5m～6m，分布于粗面巖之下，凝灰質(zhì)角礫巖之上。凝灰質(zhì)礫巖：灰黑色-灰褐色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，狀塊構(gòu)造，巖質(zhì)較軟，強度較低，結(jié)構(gòu)較疏松，夾含有較多火山噴發(fā)塊狀碎屑物，近似朽木塊狀，全風化，原巖結(jié)構(gòu)已損壞，巖石經(jīng)風化呈土狀、碎屑狀，夾殘余強風化碎塊，手捻可碎，強風化，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，錘擊易碎，層厚1.5m～6m，分布于凝灰?guī)r之下，層厚未揭穿，其中主要賦水地層為凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)角礫巖，玄武巖、粗面巖地層的鉆孔未見地下水，但巖體裂隙發(fā)育，有少量基巖裂隙水存在。

2.2 不良地質(zhì)

隧址區(qū)巖體經(jīng)歷了斷裂等構(gòu)造運動和風化作用的交叉影響，產(chǎn)狀多呈大角度直立，構(gòu)造節(jié)理、劈理和風化節(jié)理等發(fā)育，各種類型的原生、次生結(jié)構(gòu)面等相互穿插，這種雜亂的結(jié)構(gòu)面組合嚴重破壞了巖體的完整性，降低了巖體的強度，形成了滲水通道，大大加劇了巖體的不穩(wěn)定性，施工中若處理不當，易形成塌方。

3 超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報的目的主要是充分掌握地層情況，在施工過程中實現(xiàn)信息化管理。信息化即在施工過程中能獲取影響施工的相關(guān)信息，并對信息進行分析，了解該類信息對于施工的影響，并據(jù)此調(diào)整設(shè)計變更及施工，保證施工質(zhì)量與安全生產(chǎn)的進行。

超前地質(zhì)預(yù)報信息主要通過施工過程獲得，在施工過程中對未開挖隧道斷面的地質(zhì)進行探測，作為后期設(shè)計、施工與監(jiān)理的預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合多種探勘手段，主要探測地質(zhì)不良地質(zhì)情況，尤其是對隧道施工安全影響較大的不良地質(zhì)因素，如巖溶、煤氣瓦斯、地下水等。超前地質(zhì)預(yù)報在提出地質(zhì)災(zāi)害的同時，需組織嚴密的方案論證，是否滿足施工及安全生產(chǎn)的需要，更注重對方案經(jīng)濟性的審查。

超前地質(zhì)預(yù)報是建立一個地質(zhì)信息系統(tǒng)，然后采用各種手段對地質(zhì)進行摸查，形成系統(tǒng)的各項子項，當?shù)刭|(zhì)信息系統(tǒng)完備后，可組織設(shè)計、施工方案的論證，并同時形成評估工程風險的支撐，在后期的施工過程中，根據(jù)安全風險的變化調(diào)整施工方法和支護參數(shù)，同時根據(jù)施工進度獲取新的超前地質(zhì)參數(shù)，依次進行循環(huán)。在該過程中，經(jīng)分析、整理的地層參數(shù)、地質(zhì)資料作為施工技術(shù)資料存檔。

超前地質(zhì)預(yù)報核心即為地質(zhì)綜合判析，即采用各種預(yù)報手段對地層的情況進行分析、歸納、總結(jié)與對比，形成綜合分析探測報告，在施工的過程中，結(jié)合設(shè)計因素，提出設(shè)計方案優(yōu)化，并形成資料，同時在后期的施工過程中指導施工。超前地質(zhì)預(yù)報需對地質(zhì)情況進行綜合描述，包含對工程的描述，及工程范圍內(nèi)的地質(zhì)、水文，尤其是特殊的不良地質(zhì)因素的摸查及修編。

4 超前地質(zhì)預(yù)報選擇原則及方法

超前地質(zhì)預(yù)報的方法選擇主要根據(jù)隧道的地質(zhì)情況，地質(zhì)風險源、風險等級，所處的位置等確定，超前地質(zhì)報告目前按隧道地質(zhì)調(diào)查時序、深度、廣度可分為地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)情況素描、地質(zhì)雷達探測法、地質(zhì)物探法、地質(zhì)鉆孔和掌子面加深炮眼法[3]。

施工超前地質(zhì)預(yù)報是一項系統(tǒng)、比較完備的工作，需根據(jù)工程進度及發(fā)展情況納入施工工序過程中?？夏醽唭?nèi)羅畢至馬拉巴標軌鐵路一號隧道的超前地質(zhì)預(yù)報可根據(jù)里程及地質(zhì)初步調(diào)查后具體方法選用如下表所示。

根據(jù)一號隧道超前地質(zhì)選用方法，各方法具體介紹如下。

①地質(zhì)調(diào)查：即通過對已有的地質(zhì)勘察、地形測繪等資料對隧道范圍內(nèi)的既有的地形、地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等進行全面的核查，必要情況下可以通過物探的方法進行摸清。

②洞內(nèi)地質(zhì)素描：根據(jù)已有的地質(zhì)勘察對隧道范圍內(nèi)全段及特殊的地段進行地質(zhì)描述。

③地質(zhì)雷達探測：利用雷達技術(shù)對隧道范圍內(nèi)的不良地質(zhì)條件，特別是斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻的地質(zhì)情況進行摸查，雷達對于距離長短要求較高，但距離較短時，可準確地探測斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶位置、規(guī)模等進行完整的探測，在施工過程中能有效地對地層的應(yīng)力進行分布并查明。

④超前地質(zhì)鉆孔：隧道與巖石中易出現(xiàn)溶巖現(xiàn)象，地質(zhì)鉆孔技術(shù)在探孔的過程中易發(fā)現(xiàn)溶巖的分布情況，在地質(zhì)素描過程中，發(fā)現(xiàn)的斷層破碎帶、褶皺地段、溝谷地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶、裂隙發(fā)育帶、巖脈出露帶及其他預(yù)報手段探測到的異常地段可通過重點布置多孔探測，進行超前地質(zhì)探孔驗證。

⑤掌子面加深炮眼：該方法主要是利用隧道開挖掌子面上進行炮眼鉆孔，以掌握掌子面的地質(zhì)情況。

超前地質(zhì)預(yù)報需結(jié)合具體的工程籌建情況進行，并結(jié)合已有的施工工序，超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)根據(jù)地質(zhì)復(fù)雜程度分級進行超前地質(zhì)預(yù)報設(shè)計，并編制實施大綱，綜合考慮地質(zhì)分析，最終出具地質(zhì)預(yù)報成果，以指導后期的設(shè)計變更及施工方案的編制，具體流程圖如圖1所示。

圖1 超前地質(zhì)預(yù)報工作流程示意圖

5 超前地質(zhì)預(yù)報施工要點

5.1 地質(zhì)描述

地質(zhì)描述主要是通過利用已有的地質(zhì)勘察、測繪、物探等資料對隧道開挖面范圍內(nèi)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文情況進行描述，并用圖表的形式進行地質(zhì)全方位具體的論述，其中包含掌子面的不良地質(zhì)情況，以及圍巖的等級等[4]。

一號隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法選取表

5.2 地質(zhì)雷達探測要點

目前的地質(zhì)雷達技術(shù)主要是利用寬帶高頻電磁波信號探測進行的一種方法，它主要是利用電磁波在傳遞及反射的過程中，因介質(zhì)的不同其運動特點亦不同特點對地質(zhì)情況進行探測的一種[5]。

探地雷達(Ground Penetrating Radar)主要組成為發(fā)射天線和接收天線，發(fā)射天線通過發(fā)射電磁波脈沖，并在地下傳播，當電磁波遇到介質(zhì)不均勻，或在各類介質(zhì)傳播的過程中出現(xiàn)不同傳播特點的情況，其接收電磁波波長、波頻、電性差異及集合后的形態(tài)等變化均存在影響，可通過該類情況分析并預(yù)測地質(zhì)。

圖2 地質(zhì)雷達超前預(yù)報示意圖

地質(zhì)雷達超前預(yù)報主要是將雷達的天線貼在隧道掌子面，并緩慢移動天線，發(fā)射天線及接收天線均需緩慢移動，在移動過程中均需對數(shù)據(jù)進行采集。由于掌子面通常采用上、下導坑開挖，工作面很狹小，這種探測方式比較適合掌子面惡劣的工作條件。地質(zhì)雷達探測的布線可采用兩橫兩豎或一橫三豎方式進行布線，必要情況下應(yīng)根據(jù)掌子面的現(xiàn)場情況確定?，F(xiàn)場首先記錄好掌子面的具體樁號，探測時盡量保持測線一致，（建議從左到右進行檢測）每個掌子面探測兩遍進行數(shù)據(jù)對比，測量方法為點測（疊加參數(shù)為128），點測間距為10cm,脈沖采集道數(shù)不少于50道。

圖3 布線布置圖

5.3 超前地質(zhì)鉆孔

地質(zhì)鉆探作為最直觀且能直接識別巖層分布的一種方法，可作為主要手段用于超前地質(zhì)預(yù)報。鉆探法適用于多種地質(zhì)情況，且在有些特殊地層如富水軟弱斷層帶、巖溶發(fā)育區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)、重大物探異常等地質(zhì)條件復(fù)雜地段必須采用[6][7]。地質(zhì)鉆探技術(shù)需滿足以下要求。

5.3.1 孔數(shù)

①侵入巖性接觸帶每循環(huán)可只鉆一孔；

②地質(zhì)鉆探孔在掌子面鉆探布置時，鉆孔應(yīng)向外擴散，以保證對掌子面周邊的巖層進行摩擦。

5.3.2 孔深

①根據(jù)隧道的不同要求，且結(jié)構(gòu)形式的不同，確定不同的鉆孔深度；

②鉆探過程中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況以及出現(xiàn)的土層變化對鉆孔進行動態(tài)控制和管理，并根據(jù)鉆孔情況可適時調(diào)整鉆孔深度，以滿足施工設(shè)計所需地層深度為主；煤層瓦斯超前鉆孔深度應(yīng)符合《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)指南》相關(guān)規(guī)定；

③當孔深較深時，需進行連續(xù)鉆探，一般情況下每次鉆探可鉆30～50m，如需更深的孔，可加強設(shè)備的選擇，局部深度可鉆至100m以上；

④連續(xù)鉆探保持前后循環(huán)鉆孔重疊5～8m。

5.3.3 孔徑

鉆孔與詳勘提出的孔徑大小一致，且滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5.4 掌子面加深炮眼

掌子面加深炮孔探測是利用風鉆在隧道開挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質(zhì)信息的一種方法[8]。加深炮孔探測應(yīng)符合下列要求：

①孔深應(yīng)較爆破孔深3m以上；

②鉆孔直徑宜與爆破孔相同；

③孔數(shù)、孔位應(yīng)根據(jù)開挖斷面大小和地質(zhì)復(fù)雜程度確定；

④必須按設(shè)計認真實施在特殊地層且對爆破不利的地區(qū)，在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時反饋信息，嚴禁盲目裝藥放炮；

⑤加深炮孔探測嚴禁在爆破殘眼中實施。

6 結(jié)論

肯尼亞內(nèi)羅畢至馬拉巴標軌鐵路一號隧道出口附近存在陡崖，粗面巖出露等現(xiàn)象，易出現(xiàn)危巖、落石等問題，同時陡崖下覆蓋層較厚，有一條小型沖溝由左向右從隧線分界附近通過，除出口陡崖和進口局部山坡外，部分地段為見基巖出露，易發(fā)生坍塌、掉塊事故，為準確地對該地的地質(zhì)巖層的分布以及節(jié)理、裂隙發(fā)展，需對場區(qū)的地質(zhì)進行超前地質(zhì)預(yù)報工作。

根據(jù)本工程的特點，本工程超前地質(zhì)預(yù)報先對地質(zhì)的巖層、裂隙等進行地質(zhì)調(diào)查，而后，對洞內(nèi)地質(zhì)進行素描，對埋層較淺的巖層如隧道進出洞口可采用地質(zhì)雷達探測法、物探法，對于較深的巖層，如隧道的較大埋深處，可采用超前地質(zhì)鉆孔和掌子面加深炮眼法。

通過對超前地質(zhì)預(yù)報掌握地層的發(fā)展規(guī)律及巖層的薄弱處，實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害的宏觀控制，并指導災(zāi)害可能發(fā)生的事故，在具體工程中采用適當措施預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害。