综合超前地质预报法在岩溶地区隧道施工中的应用

徐 丽 平

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471000)

综合超前地质预报法在岩溶地区隧道施工中的应用

徐 丽 平

(中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471000)

以贵广铁路复杂岩溶地质条件下隧道的超前地质预报工作为例，阐述了地质预报工作的方法、流程和经验，方便地质预报工作作为隧道施工的关键工序顺利开展，同时为隧道施工提供安全保障。

隧道施工，超前地质预报，岩溶地区

0 引言

改革开放以来，我国经济快速发展，交通更是先行。目前，国家每年投资大量资金推动高铁、高速公路等交通骨干网络建设，极大的改善了交通条件。隧道建设作为土建施工中的重要一环，在交通建设中的地位越来越突出，隧道长度及跨度越来越大，遇到的地质情况也越来越复杂。在隧道施工中，由于地质情况的突然变化，如断层、煤层、破碎带、溶洞、暗河等的突然出现，不仅严重影响工程的建设速度，甚至会造成事故，如塌方、涌水突泥、瓦斯突出等。所有的土建工程设计阶段的勘察成果，由于自然环境和技术条件所限，其详细程度和准确度难以满足施工的要求，隧道施工超前地质预报作为地质勘查在施工阶段的延伸就显得尤其必要。隧道超前地质预报是一门系统的科学，做好这项工作不仅要有全面的地质、物探理论功底，还要有丰富的现场工作经验。篇幅所限，本文并没有把地质预报的每个环节展开论述，而是以贵广铁路复杂地质预报项目为依托，阐明了地质预报工作的主要方法、流程和一些经实践检验的经验，以供大家参考。

1 工程概况

新建贵阳至广州铁路，穿越中国西南喀斯特发育最强烈地区，其中土建1标即贵阳至都匀段位于黔南山区，线路桥隧比78.1%，共有隧道16座，累计总长49.1 km，最高点海拔1 762.5 m，地形起伏大，相对高差350 m～750 m，山高坡陡，峡谷深切，山势雄伟，峰峦叠嶂，多险峻的悬崖峭壁，贵广线路位于可溶岩岩溶发育和较发育区，岩溶发育程度中等～强烈，施工中除可能遇到断层破碎带、溶蚀破碎带、煤层现象外，还可能遭遇不同程度的溶洞、暗河等岩溶突水、突泥灾害，不可预见性较强；其中平寨、太阳庄、油竹山和斗篷山等隧道遇灾害性突水、突泥的风险性大，属于一级高风险隧道，是贵广全线高风险隧道最多的标段。该标段的超前地质预报工作中，所采用的预报方式、方法基本涵盖了现有预报技术的所有常规手段。

2 常用的超前地质预报方法

2.1 工程地质调查法

工程地质调查法是隧道施工超前地质预报的最基本的手段，是开展其他预报手段的前提和基础工作。主要是根据工程场区区域地质资料、已有勘察成果资料、隧道已开挖段或超前导坑揭示的地质资料，通过地质理论分析及赤平极射投影法作图推测隧道掌子面前方的地质情况的一种方法。通常是要求具有地层学、地质构造学、水文地质学等地质学科基础的有经验的工程师开展此项工作，辅助工具主要有罗盘、手电、地质锤、数码相机等。

2.2 TSP探测法

TSP探测法属于地震波法的一种，是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方及周围临近区域地质状况的，属于多波多分量高分辨率地震反射法(如图1所示)。隧道现场需要在左或右边墙上施作24个间距1.5 m深度1.5 m的震源孔，2个接收器孔在隧道左右边墙上对称布置，深度2 m。每次测试需要消耗瞬发电雷管24枚，乳化炸药3 kg左右，参与测试人员至少两人，一名为经培训合格的TSP系统操作人员，另外一名为具有爆破资格证的熟练工人。由于TSP测试需要的26个钻孔在隧道边墙上的位置及深度都有准确要求，贵广预报项目部的做法是至少提前24 h对工区进行TSP测试准备工作技术交底，钻孔施作的好与坏对采取数据的质量及后期数据处理的精度都有直接影响。贵广超前地质预报项目1标段采用的是TSP203型探测仪，在经过几百次的探测与实际开挖情况对比，总结其有如下特点：

1)不计TSP测试炮孔、接收器孔的准备时间，现场连接观测系统，进行24孔逐点引爆采集数据的时间平均为2 h～3 h，在此期间，施工现场要停止一切有声响的工作，防止对信号采集的干扰；

2)单次测试探测距离远，在隧道围岩较完整情况下预报有效距离可以达到200余米，综合预报的准确率和功效，一般正式探测报告均取120 m的有效预报距离，循环搭接长度以不小于20 m为宜；

3)探测对于隧道掌子面前方断层破碎带、节理密集破碎带、岩性差异大的界面，如软弱夹层、煤层，基本有明显的波形反映，对基岩裂隙水出水点反映效果不是特别明显，对各种边界不规则的溶腔、溶洞体以及充填情况预报效果较差，TSP203观测系统的信号采集原理主要是针对面状结构体有直接关系。

2.3 探地雷达法

探地雷达法也称电磁波法，是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。简而言之，这种方法是利用所有不同的岩性地质体介电常数都是不相同的，即便是相同岩性地质体由于节理、地下水发育情况的不同其介电常数也不同的基本理论，可以得到掌子面前方15 m～25 m范围内的电磁反射波普图，经过解译推测前方工程地质情况的一种方法(见图2，图3)。贵广铁路超前地质预报项目1标段，由于隧道洞身岩性主要为白云岩、灰岩等可溶岩，探地雷达作为预报各种溶蚀不良地质体的主要手段得到广泛的应用。采用的美国SIR-20雷达主机，配100 MHz屏蔽天线设备，经过上千次的预报与实际开挖对比，总结其有如下特点：

1)一般在掌子面上采用“十”字形布置双测线(特殊情况下采用“井”字形四测线布置，现场采集数据占用施工时间短，平均时间15 min一条测线，一般两条测线的采集时间在25 min内，需要人员3人～4人；

2)对于隧道掌子面前方开挖界限内溶蚀破碎带、岩溶管道、溶洞、暗河探测都有明显的反射信号，特别是充水的情况下，信号差异强烈，易识别；

3)其缺点是预报距离短，一般20 m左右，遇到围岩破碎的情况下，甚至只有15 m左右。

2.4 超前水平钻孔法

超前水平钻孔法是利用钻机在隧道掌子面上按设计参数进行钻探获取地质信息的一种超前预报方法，根据不同的情况如探测断层破碎带、岩溶、煤层瓦斯、重大物探异常，可以选择取芯钻或者冲击钻方式。一般情况下，超前水平钻孔，其孔位皆为均匀分布在掌子面上，但对于黔南岩溶发育地区，考虑到岩溶形态的多变性、复杂性，很难说打多少孔能够探明情况。贵广铁路超前地质预报项目1标在超前水平钻孔布置参数设计上与雷达探测结果结合起来，有针对性的设计钻孔位置、孔口角度，可以达到事半功倍的效果。如雷达探测表明前方溶蚀区主要分布在隧道掌子面左侧，可以把钻孔集中到左侧区域布置，提高探孔效率，以便探清溶腔体发育的形态、延伸方向、充填物性质等要素，为制定施工措施提供依据。需要强调的是，在超前水平钻孔施作期间，必须要有有经验的预报技术人员现场确认钻孔布置并全程跟踪钻进过程，记录钻进过程，通过冲洗液的变化、钻进的速率、出水量的大小研判地质情况，并最终形成详尽的超前水平钻孔报告。目前，隧道施工都采用机械化配套作业，超前水平钻探基本都采用自行式履带钻机，具有扭矩大、钻进速度快、取芯完整、对施工影响小、角度灵活的特点，可以适应各种地质岩层的快速钻进，常见的有日本矿研RPD-150C、意大利卡萨格兰特C6钻机、北京探矿机械厂生产的DDL-300型钻机。

2.5 加深炮孔

加深炮孔是指在采用钻爆法施工的隧道中，在隧道开挖爆破周边眼的施作中选取3个～5个钻孔，加深至爆破深度外2 m～3 m的方法。该方法的特点是施行简单、不单独占用施工时间，准确度较高。贵广超前地质预报项目经过实际运作，为提高工作效率，把钻孔操作可能遇到的情况简化为表格形式，由一线工人通过勾选的方式记录加深炮孔情况。

3 常用的超前地质预报方案的主要内容

3.1 岩溶及岩溶突水预报方案

利用地表调查，结合隧道洞内开挖段素描手段及勘察阶段物探成果中的异常区分布情况，推测隧道可溶岩发育的大致里程，再通过TSP203地震波法、地质雷达法长、短距离相结合的探测对岩溶及地下水发育的位置、规模及性质作较为详细的预报，如综合预报结论掌子面前方50 m范围内可能有岩溶、突泥涌水不良地质体，则应布置3个～5个超前水平钻孔进行钻孔验证，钻孔时需安设孔口管及高压闸阀，当遇有高压水时，要立即拔出钻具，关闭孔口管的高压阀门，等待制定处理措施。对岩溶强烈发育地段可增加钻孔的数量及采用地质雷达探测，并对开挖后的隧道底板用地质雷达进行隧底岩溶检测。

3.2 煤层瓦斯预报方案

首先仔细分析前期地质勘察资料，分析含煤地层发育里程段，通过隧道开挖过程中的地质素描与勘察对比，大致确定隧道揭露煤系地层的里程，为确保安全，一般是在煤层可能出现里程位置处提前200 m左右开始准备揭煤的预报工作。依靠TSP203系统的探测，煤层在工程地质上表现出的性质类似于软弱泥岩夹层性质，对于软弱夹层该系统通过波速、杨氏模量等指标的变化，会有明显反映。此时的解释就要推断为疑是煤层位置，要通过单孔超前水平钻孔方法确认是否为煤层及其准确位置与层厚。需要注意的是水平钻孔采用取芯钻，全程需采用水循环回转钻，同时孔口要进行瓦斯监测，防止引起火灾或爆炸。

3.3 断层破碎带预报方案

首先利用地质调查与地质素描手段，推测勘察阶段发现的宽大断层在隧道中出现的大致里程，此外，由于地壳中许多断层并未延伸至地表或被覆盖层所覆盖，所以隧道在开挖过程中所揭露的断层往往多于地表所发现的数量，采用TSP203和地质雷达进行预报，探测掌子面前方围岩的强度、完整性、富水性，然后根据掌子面素描观察隧道围岩的变化，统计节理组数及其形态的变化，推测前方可能出现断层的位置，对可能出现高压富水断层的地段进行单孔水平钻验证，钻孔时需安设孔口管及高压闸阀，当遇有高压水时，要立即拔出钻具，关闭孔口管的高压阀门，等待制定处理措施。

4 取得的效果

在施工方切实把超前地质预报工作作为一道重要的施工工序进行管理，与预报人员密切配合的情况下，贵广铁路超前地质预报1标，采用地质调查法、TSP探测法、探地雷达探测法、超前水平钻孔、加深炮孔等手段，在严格执行行业规范和项目超前地质预报施组的前提下，对超前预报信息经综合分析，相互验证，对隧道掌子面前方不良地质体进行准确定位，有效地预报了隧道岩溶突泥涌水带、断层破碎带、软弱夹层等不良地质情况，开工以来，先后共准确预报岩溶溶腔体53处(见图4)，断层破碎带19处及其他不良地质体多处，协助施工单位共同研究制定了切实可行的技术方案，提前采取对策和措施使隧道施工多次有效规避了工程施工安全风险。

5 结语

1)准确预报隧道掌子面前方是否存在重大、突发地质灾害发生的地质情况条件，以便提早采取工程措施，做到防灾减灾是地质超前预报应达到的目标之一。要实现这个目标，它需要超前地质预报工作者必须充分了解地质背景条件下借助物探手段，通过不断的对比预报与实际开挖情况，并进行总结，提高预报准确率。目前超前地质预报设计中主要物探手段为地震波、电磁波两种，都有其使用的盲区或局限性，而且有些是共性，成为我们全方位预报出掌子面前方潜在的地质灾害的最大障碍。

2)参建各方人员的技术沟通是搞好地质超前预报工作的基础。预报人员如果仅是按时递交工点地质预报报告给其负责人，技术交流有限。目前隧道超前地质预报实践中所用的新仪器基本都是基于地球物理理论的仪器，它提供的是相关的地球物理信息，对该地球物理信息的解释需要物探工程师和地质工程师联合作业，把地球物理语言变成地质语言。但在施工单位，地质工程师的配置并不常见，这就出现了施工工程师看不懂或者是不能完全理解地质预报报告。

3)超前地质预报工作中的钻探方法其结果既直观也准确。超前地质预报工作使用的理论与方法，包括地质理论方法、地球物理方法、钻探方法。地质理论方法是基础，是一切后序预报方法的前提；地球物理方法是以地质方法为基础，地球物理方法可在量上修正地质理论方法的结果；钻探方法是在地质理论方法和地球物理方法结果基础上进行的，它一般可准确的修正，甚至是推翻地质理论方法和地球物理方法的结果，但具体操作中消耗的人力、物力较大，特别是会占用大量的施工时间而常常被拒之门外，但它的结果更直观更准确是毋容置疑的。

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The application of the comprehensive advance geological prediction in tunnel construction in karst area

Xu Liping

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd,Luoyang471000,China)

Taking the advanced tunnel geological prediction of Gui-Guang railway under complicated karst conditions as an example, the paper describes illustrates geological prediction methods, procedures and experience, which will be some help for critical tunnel construction and guarantee tunnel construction safety as well.

tunnel construction, advanced geological prediction, karst area

1009-6825(2015)07-0187-03

2014-12-24

徐丽平(1976- )，女，工程师

U456

A