岩溶隧道施工综合超前地质预报技术研究

马 辉，陈寿根，谭信荣

(1.中铁二局集团公司，四川 成都 610031;2.西南交通大学，四川 成都 610031)

1 隧道施工超前预测方法

尽管在勘察设计阶段进行了地质勘察工作，但由于受地形条件、勘察技术、经济性的限制，加上地质体的复杂多变，地质勘察工作是很难把详细的地质情况反映出来的，从而导致隧道施工中地质灾害时有发生，满足不了隧道安全施工要求，延误工期。世界各国为摆脱隧洞施工中对地质情况认识不祥的被动局面，不断探索有效的超前地质预报方法。英、法、日、德等国均将隧道超前地质预报列为隧道工程建设的重要研究内容。隧道施工中预测掌子面前方岩体的地质情况是确保隧道安全施工的关键。

我国隧道施工地质超前预报研究始于20世纪50年代中期，20世纪70年代真正开始了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用。目前，我国隧道施工期地质超前地质预报主要采用工程地质调查法、超前平行导坑法、物探法(TSP、HSP、地震反射负速度法、地质雷达、陆地声纳法等)和以地质法为基础结合物探的综合方法。

2 工程概况

斗篷山隧道为贵(阳)－广(州)高速铁路线上的一座I级风险隧道。隧道里程为DK98+841～DK106+210，全长7369 m，位于贵州省黔南州都匀市西郊，地处苗岭山脉的腹部区(图1)。

图1 隧道下穿在建木恼山调整公路隧道

斗篷山隧道为单洞双线隧道，洞身最大埋深470 m，进口轨面设计高程932.888 m，出口轨面设计高程852.056 m，人字坡，隧道进口段上坡坡度3‰，长2159 m，中间段下坡坡度16.7‰，坡长4500 m，出口段17.3‰的下坡长710 m。最大开挖面积约148m2，最大开挖跨度约14 m，最大开挖高度约13 m。

2.1 地质情况

斗篷山隧道位于贵州省黔南州都匀市西郊，地处苗岭山脉的腹部区，溶蚀、剥蚀峰丛地貌，山体绵延，沟壑纵横，沟谷深切，地形起伏大，山体植被茂密。隧道洞身地质主要以灰岩、白云岩为主，节理较发育，地表溶蚀发育程度强烈，洞内岩溶强烈发育，地下水为岩溶管道水，含水量丰富，通过二条断层破碎带，主要不良地质为岩溶、古崩塌堆积体、软质岩大变形和岩爆等。

(1)岩溶，DK101+800前为可溶岩大面积出露，岩性以白云岩、灰岩为主。地表普见溶痕、溶沟溶槽和石芽等，在地形起伏不大的长坡及岩性分界处分布有地下暗河、溶蚀洼地、漏斗等。

(2)古崩塌堆积体，分布隧道出口DK106+022～+295段，褐黄色、灰黄色，稍湿～饱和状、中密状，块、漂石含量达75%，块径巨大，一般直径100～300 cm，最大块径厚度约600 cm，石质成分主要为石英砂岩质、灰岩质，漂石间充填石英砂岩质中密状细、粗角砾土，局部为硬塑状粉质粘土;厚达15～40 m，为古崩塌堆积体。

(3)软质岩变形，DK103+200～DK103+400洞身围岩以薄层粘土页岩、砂质页岩为主，隧道埋藏深度大于400 m。故围岩开挖后有产生过大变形的可能，故考虑该段为围岩变形段，部分围岩可能存在软质岩大变形。

(4)岩爆，DK103+400～DK103+550、DK104+450～DK104+700(洞身以石英砂岩为主)两段隧道埋深均大于400 m，且位于较稳定的单斜构造区，岩体内部应力开挖时易突然释放，存在弱岩爆的可能。

隧道区水系属长江水系，清水江剑江支流，表水主要发育于线路左侧2 km以外。苗岭山脉在测区内走向近南北向展布，近东西向和东北向的沟谷侵蚀切割强烈，水系沿构造发育，并形成菱形网格状。

2.2 重点与难点

本隧道工程施工重难点可归纳为:

(1)隧道两次下穿高速公路，在软弱围岩地段安全通过，确保隧道和高速公路的安全为本工程的一大重点;

(2)本隧道工程洞身断层破碎带多，同时穿越溶洞，施工时易发生突水突泥。准确预报隧道岩溶等不良地质体，防止突水突泥发生是本工程重点;

(3)隧道斜井较长，进、出口单洞掘进较长，保持良好通风、排烟、排水是本工程的难点。

3 综合超前地质预报技术及应用

3.1 超前地质预报技术

鉴于本隧道复杂的地质条件，通过文献调研，理论分析以及现场实验等，最终确定了以地质雷达、超前地质探孔、红外探水、TSP、加深炮眼、孔内雷达等综合超前地质预报技术进行超前地质预报。

(1)地质雷达(亦称探地雷达)探测法是利用电磁波的反射原理(图2)，使用地质雷达仪器向隧洞掌子面发射，经地层界面反射返回隧洞掌子面，接收具有一定频率的高频脉冲电磁波，通过识别和分析反射电磁波来探测与周边介质具有一定电性差异的目的体的一种电磁勘探方法。地质雷达预报距离一般在20～30 m，它是综合超前地质预报技术体系中的攻坚阶段。

图2 电磁波反射示意图

(2)超前地质钻孔是对TSP203预报和地质雷达探测、红外探测等手段探测到的不良地质体的确认。在物探手段单一的情况下超前地质钻孔应连续搭接进行，超前地质钻孔的位置、孔深、数量、取芯等由地质人员根据物探预报成果并结合掌子面附近的地质情况综合分析确定。

钻探深度宜控制在30～50 m，以减少对掌子面占用时间;钻孔布置应根据预报不良地质体的产出规模、展布形式等确定。钻探法的最大优点是探测效果直接，同时在钻进过程中有大水被揭露时，可事前采取措施后对其原位灌浆封堵，其效果很好。

(3)在隧道中，围岩每时每刻都在向外部发射红外波段的电磁波，并形成红外辐射场，场有密度、能量、方向等信息，岩层在向外部发射红外辐射的同时，必然会把它内部的地质信息传递出来。干燥无水的地层和含水地层发射强度不同的红外辐射，红外线探水仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强的变化值来确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。其优点是测量快速，基本不占用施工时间;资料分析快，测量完毕，即可得出初步结论，室内整理及编写报告也可在2 h内完成。但缺点是只能测量出含水体的方位，测量不出含水体隐藏深度及水量大小、水压等参数。

(4)TSP203超前地质预报系统(图3)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掘进面前方及周围临近区域地质状况的，TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。

图3 TSP原理示意图

TSP超前地质预报系统用于预报隧道前方0～120 m范围内及周围临近区域地质状况，预测掌子面前方围岩的类别;主要是对地质结构面、地质构造及地下水的预报，包括地层岩性界面、构造破碎带、富水带、岩溶发育带等不良地质体，确定其位置、规模及大致产状，推测其性质。除了为短期预报提供指导意义外，还同时能够为施工单位制定一个相对长期的施工计划提供科学的依据。

(5)通过加深炮孔对放炮后掌子面前方一定范围进行探测，并结合其他方法，互相验证，综合分析。

(6)钻孔雷达是具体探测掌子面前方以钻孔为中心，15 m为半径的一定空间范围内的不良地质体，它对进一步判断前方是否有大的空间储水构造，是一般物探方法不能做到的。尤其是避免了钻探法无法解决底板及底角等部位的探测。孔内雷达主要用于进一步查明表面雷达发现的掌子面前方的富水构造，判断地下水赋存情况(图4)。

图4 钻孔雷达探测原理示意图

斗蓬山隧道在现场施工中以地质分析为基础，物探方法为手段，多种方法相互印证和补充，以建立系统的岩溶地区高风险长大隧道综合超前预报技术方法为目标，通过现场试验、数据分析处理、资料的解译及开挖对比等手段，并结合国内外相关的工程经验确定超前地质预报探测体系，超前地质预报流程，如图5所示。

图5 超前地质预报流程图

3.2 预报分类

(1)宏观预报:查阅了大量的勘察资料，设计图纸，对工程区的地质情况进行了较全面的了解，通过对前期资料的分析，并结合已挖洞段的预报和开挖实际对比总结，总体上把握不同洞段可能存在的不良地质缺陷;

(2)中长距离预报:主要采用TSP超前预报系统，初步判断掌子面前方100～250 m范围内可能存在的较大异常情况及岩体的完整状况;

(3)短期预报:主要采用地质雷达预报，每次预报掌子面前方0～25 m范围内的地质情况，在宏观预报和中长距离预报基础上，针对重点部位，加强预报频度和洞内地质素描;

(4)特殊方法预报:当发现较大含水层带或通道时通过孔内雷达测试查明其形态、规模及发育方向，在掌子面打超前探孔进行钻孔雷达预报时，所打超前孔深度一般不大于50 m，孔径大于56 mm，采用1孔或多孔布置，探测半径为15 m。一般情况只作1孔探测，如发现较大含水构造，另增加2～3孔，以对目标体进行精确定位。

此外，为进一步了解隧洞掌子面前方不良地质情况，准确分析和解释物探测试资料，预报人员中必须配备地质专业工程师，做到每天进洞对隧洞开挖洞段进行地质编录和观察分析，及时收集第一手资料，根据所揭露的地质现象，结合前期勘察资料，并通过已挖洞段预报结果与开挖实际情况对比分析，最后对掌子面前方预报资料进行合理的解释，才能保证预报成果的真实性和准确性。

如图6所示，隧道进口段综合应用了多种超前地质预报探测手段，取得了较准确的预报成果。

图6 隧道进口综合探测应用示意图

4 结论

通过本项研究，斗篷山隧道施工采用综合超前地质预报技术，提高了对前方不良地质体预报的准确率，取得了如下主要研究成果。

(1)TSP203能有效地预报掌子面前方的主要结构面，预报距离一般在80～150 m，其中TSP203能达到100～250 m，陆能声纳仅能达到80～100 m，TSP智能化程度较高，一般人经过培训后较容易掌握;

(2)研究了地质雷达(表面、钻孔)用于超前预报的观测系统布置，不同不良地质缺陷的雷达图像特征，同相轴与不良地质体的空间位置关系，获取了电磁波在不同岩性中的传播规律及响应特征，为岩溶隧道施工超前预报图像解释奠定了基础;

(3)超前探孔结合孔内雷达技术在预报掌子面前方不良地质体时，远优于其它方法;

(4)溶岩、溶蚀裂隙或管道、断层等洞段，是地下水富集的主要通道，也是容易发生特大突涌水的主要部位。因此超前预报全方位综合预报、相互印证，结合地质分析综合判断是避免灾害性事故发生的根本保证;

(5)建立适合快速掘进的预报体系，即以地质分析为主线，宏观预报、中长距离预报、短期预报、特殊方法预报相结合的综合预报体系。

［1］谭天元，张伟，叶勇.隧道工程超前地质预报中的综合物探技术［J］.贵州水力发电，2006，20(6)

［2］曾昭发，刘四新.探地雷达方法原理及应用［M］.北京:科学出版社，2006

［3］白哲.地质雷达在隧道超前预报中的应用［D］.武汉理工大学，2000

［4］何刚.TSP203系统在隧道超前地质预报中的应用研究［D］.中南大学，2005