高速公路岩溶隧道综合超前地质预报研究

吴存兴

(三明市高速公路有限公司， 福建 三明 365000)

高速公路隧道施工中，经常会遭遇溶洞、破碎带、含水带等不良地质体，由于其具有复杂性、多变性、隐蔽性等特点，给隧道安全施工带来了巨大风险。为了提高隧道施工风险的可控性，在施工过程中运用超前地质预报技术，及时、准确地探测掌子面前方及周边区域的不良地质体及其工程性质，为正确选择开挖断面、支护参数及施工方案提供依据，并为预防隧道涌水、突泥等可能出现的灾害事故及时提供信息，从而有效避免或减少隧道灾害造成的工程损失和人员伤亡[1～8]。

在岩溶地区隧道施工中80%遇到水害，因水文、地质问题引起的施工地质灾害造成停工的时间，约占施工总工期的30%。隧道突水、突泥已成为施工过程中最常遇到并具极大危害性的地质灾害，泉三高速公路的三阳隧道，曾发生11.8×104m3/h的涌水，造成停工数月。据铁路隧道统计，京广线大瑶山隧道穿过9#断层时，突水量达 3×104m3/d；成昆线沙木拉达隧道最大总涌水量达195504 m3/d，最大突水量达36.11 m3/min，曾造成停工达32 d 之久；京广线南岭隧道曾发生3次较大突泥共11738 m3、最大突水量达 11143 m3/d，总涌水量达 16885 m3/d；大秦线军都山隧道曾发生 12 次突水突泥，其中最大2次共2100 m3的泥屑流灾害等；渝怀线圆梁山隧道施工中涌砂、涌水达数十次之多，造成重大伤亡，损失惨重[9～10]；宜万铁路某隧道由于大规模突水也造成了多名施工人员失踪的灾难性事故。可以说，突水突泥给岩溶地区隧道施工安全带来了重大灾难和无法估计的经济损失。因此，为了保证高风险岩溶地区隧道施工安全，减轻突水突泥等灾害损失，对岩溶地区隧道施工地质灾害预报预警工作进行深入的研究，具有重要的理论意义和重大的工程实用价值。

鉴于目前在岩溶隧道施工中经常遭遇的富水或含泥溶洞、暗河、涌水和突泥等灾害，给隧道安全施工带来了巨大风险，本文结合福建省永宁高速公路石林隧道的超前地质预报工作。介绍岩溶隧道的综合超前地质预报方法，其预报方法和原则可对今后类似工程提供参考和借鉴。

1 隧道超前地质预报应用现状

隧道超前地质预报技术的开发与应用时间不长，正处于一个快速发展阶段，是国内外工程地质和隧道工程界十分关注而又没有得到很好解决的难题[11]。从 20 世纪 50 年代开始，先后采用地质调查法、超前地质导坑、水平超前钻探等方法进行超前地质预报。地质调查法是根据隧道已有勘探资料、地表补充地质调查资料，通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、临近隧道内不良地质体的前兆分析等，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等，推测开挖工作面前方可能存在不良地质体的一种超前地质预报方法。地质调查法的缺点是预报精度低，距离短，过于依赖地质人员的经验和推断，在很多时候对突变性不良地质体(如溶洞、张性断裂构造)无法做出准确预报。超前地质导坑法是在与隧道正洞轴线平行方向，在距正洞轴线一定距离或在正洞轴线上开挖一断面较小的超前硐室，用以探明隧道的地质条件。开挖超前导坑时，同样存在地质预报的问题，而且由于该方法代价高，在实际工程中除非有其他用途如运输、通风等，该方法在实际工作中很少采用。水平超前钻探法在钻深孔时，钻孔无法保持水平，同时需要大量占用掌子面的工作时间，严重影响施工进度。

由于上述方法预报距离近、对隧道掘进施工干扰大，不能满足隧道快速、科学施工的需要。因此，科研工作者开始探索预报距离远、施工干扰小、预报准确的物探方法，如基于地震波理论的TSP、TGP，电磁波的地质雷达(GPR)，红外探水等。

TSP超前预报方法(tunnel seismic prediction)是由瑞士Amberg测量技术公司上世纪90年代初开发的用于隧道超前预报的技术。中国先后引进了该公司的 TSP202、TSP203、TSP200 超前预报系统，特别是铁路系统引进数量较多，设备利用地震反射波原理，所以用来预报掌子面前方与隧道轴线大角度相交的平直不良地质体(断层、节理)效果较好，但数据处理参数选取无理论、试验依据，参数选取的随机性较大，导致数据处理结果的离散型和不确定性较大。TGP由北京水电物探院研制，其基本原理与应用情况同TSP相近。

地质雷达是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程质量检测、场地勘察中被采用，近年来也被广泛应用于隧道超前预报工作。地质雷达是应用电磁波的探测技术，它根据电磁波双程走时的长短差别，确定探测目标的形态和属性，结合理论分析达到对前方目标的探测与判断。地质雷达主要用于对掌子面前方短距离(20～30 m)的特殊地质问题(如破碎带、岩溶地区发育的溶洞、裂隙水等)进行预测、预报，缺点是预报距离短，抗金属等物质干扰能力差，并且数据处理和资料解释难点较多，需要专家级的人员凭经验作正确判断，一般工作人员难以准确掌握[12～13]。

红外线技术是一种辅助探水方法，由于所有物体都发射出不可见的红外线能量，这能量的大小与物体的发射率成正比。而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。当隧道掌子面前方及周边介质单一时，所测得的红外场为正常场，当前面存在隐伏含水构造或有水时，他们所产生的场强要叠加到正常场上，从而使正常场产生畸变。根据掌子面温度受前方水体影响，其温度变化来探查25 m以内的水体。但由于该方法受施工环境等各种因素的影响，掌子面的温度受到干扰很多，以至影响其探查效果。其判定标准为掌子面上9个数据的最大差值大于10 μW/cm2，就可以判定有水；红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水，其他情况判定无水。红外探测的特点是可以实现对隧道全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧道外围空间及掘进前方30 m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，而且可利用施工间歇期测试，基本不占用施工时间。但这种方法只能确定有无水，至于水量大小、水体宽度、具体的位置没有定量的解释。

由于物探方法解译的多解性，很多时候单一一种物探手段得到的结果随机性、不确定性较大，可靠性较低，造成预报结果准确率偏低，这种情况在复杂地质情况下更为突出，如溶洞、地下水发育的岩溶地区。通过多年的工程实践，众多学者总结提出综合超前地质预报的原则，即洞内外相结合；长短结合；地质与物探结合；合理搭配、科学管理；贯穿全程、因地制宜。

2 工程实例

2.1 工程概况

石林隧道为分离式隧道结构，右洞长2865 m，左洞长2875 m，双向四车道，设计速度100 km/h。场址区属构造侵蚀中低山地貌，进口段处缓坡地带，洞口350 m范围属浅埋地段。洞口浅埋段属坡积土结构，隧道设计围岩地层自上而下穿越：坡积粉质粘土、坡积含碎石粉质粘土、残积含碎石粉质粘土、残积粘性土、强风化泥岩、砂土状强风化泥岩、 碎块状风化泥岩、砂土状强风化石英砂岩夹千枚状粉砂岩、碎块状石英砂岩、弱风化石英砂岩等，进口段V级围岩长度达464 m。大部分段落溶洞发育，含水及填充物，易发生突水、突泥，地下水位较高，水量丰富。

2.2 施工概况

石林隧道纵坡采用+2.0%的单向坡，目前处于V级围岩段，设计采用CD法开挖，支护参数为Z5形式。支护参数为：永久支护采用锚喷支护形式，超前小导管预支护。超前支护采用5米长Φ50×5 mm超前小导管，环向间距50 cm，纵向排距3.5 m。I18钢支撑设置间距70 cm，网格间距为20 cm×20 cm的Φ6钢筋网拱墙单层满铺，系统锚杆采用Φ25中空注浆锚杆，长350 cm，拱、墙部位按100 cm×100 cm梅花型布设，C25喷射混凝土厚度为24 cm，拱脚处设置锁脚锚杆一对，采用3.5 m长Φ22砂浆锚杆锚固。仰拱及二次衬砌采用钢筋混凝土结构，厚度为45 cm，主筋采用Φ16 mm螺纹钢，纵向间距20 cm，纵向钢筋采用Φ12 mm螺纹钢，环向间距20 cm。

临时支护采用I14钢架支护，外侧设置3.5 m长Φ22超前砂浆锚杆，纵向间距2.1 m，挂网喷射C20混凝土，喷砼厚度20 cm。单侧台阶间设置20 cm厚C20现浇砼临时仰拱。

隧道进口段进洞175 m后围岩主要为砂土状强风化泥岩、粉砂岩，个别段落中夹石灰岩孤石。岩性不均匀，变化较大，完整性较差，缓断层及破碎带分界明显。地下水发育，多成淋雨状，围岩自稳能力极差，拱部未支护时极易坍塌，侧壁掉块现象严重。受隐存的断层破碎带影响，围岩压力大，初期支护变形严重，局部侵限，喷射砼表面开裂，钢支撑扭曲变形，该类围岩段落两洞合计长度近700 m。

进口段7次出现突泥涌水现象，流沙段长度累计达275 m。突泥、涌水部位现明显溶腔，石英砂岩颗粒随泥浆涌出，地下水流量大，呈涌流状(图1)。其中YK14+175～YK14+210段出现塌方。

图1 石林隧道地质灾害图

3 综合超前地质预报及结果分析

鉴于石林隧道地质条件复杂，灾害频发，超前地质预报工作受到参建各方高度重视，并坚持长短结合；地质与物探结合；合理搭配；贯穿全程；综合分析的原则进行。考虑隧道处于缓坡地带、埋深较浅、围岩差、地下水发育等特点，超前地质预报全程采用长距离的TSP、短距离的GPR和红外探水相结合的方式进行，成功进行岩溶预报的区段位于石林隧道出口左线里程ZK15+543处。

3.1 TSP探测成果

本次探测采用瑞士Amberg的TSP203系统进行，探测时掌子面的里程桩号为 ZK15+641，在24个炮点中，距掌子面最近的10 m，检波器距最近炮点15 m。本次预报里程为ZK15+641～ZK15+461，图2～3为探测分析图，据TSP探测成果图分析，在区间ZK15+513～ZK15+475内，纵、横波波速显著降低，纵波波速由4680 m/s降到4030 m/s，横波波速由2510 m/s降到2060 m/s；泊松比由0.13增大到0.24，明显增大；密度由2.75下降到2.55，显著降低。因此，通过TSP结果推测区间ZK15+513～ZK15+475溶蚀裂隙发育，为溶蚀破碎带，或发育溶腔、溶槽，夹软土并充填大量水。

图2 反射层提取图

图3 预报结果2D视图

3.2 GPR探测成果

地质雷达采用GSSI公司生产的SIR 20地质雷达，配属100 MHz的屏蔽天线，探测时掌子面的里程桩号为ZK15+522，掌子面上共布设4条测线，其中水平测线2条，分别为测线1、测线2；竖直测线2条，分别为测线3、测线4，具体测线布设和掌子面情况见图4。

图4 ZK15+522掌子面地质图及测线示意图

本次预报里程为ZK15+522～ZK15+506，预报距离仅为16 m，图5～6为探测分析图，可见，掌子面前方6 m后(ZK15+516)反射波振幅明显增加，同相轴间断、分叉，考虑到TSP探测结果，此区间(ZK15+513～ZK15+475)溶蚀裂隙发育，为溶蚀破碎带，或发育溶腔、溶槽，夹软土并充填大量水，考虑到目前雷达探测揭示的不良地质体前端(ZK15+516)与TSP探测结果(ZK15+513)基本吻合，并且雷达的探测掌子面距前方不良地质体的距离不足6 m，然而如此短的距离上目前的掌子面上基本无长度超过2 m的裂隙、掌子面上无水渗出，即无迹象表明掌子面前方的不良地质体是由裂隙发育而导致的溶蚀破碎带。因此，综合判定ZK15+516～ZK15+506有溶腔、溶槽发育，并填充软土和大量水。

图5 ZK15+522掌子面水平向地质雷达探测成果图

图6 ZK15+522掌子面竖直向地质雷达探测成果图

3.3 红外探水探测成果

红外探水预报采用 HY-304 型红外探水仪进行。本次探测的掌子面为ZK15+527，其上具体测线及测点如下所述，自上而下水平布置4行探点，每行 6 个探点，见图 7。由掌子面位置，向其后方每隔 5 m 对4壁探测一次，共探测 12 个断面，每次探测的顺序依次为左边墙脚、左边墙、拱顶、右边墙、右边墙脚、底中，见图7。这样沿隧道掘进方向形成 6 条探测线，分别为左边墙脚探测线、左边墙探测线、拱顶探测线、右边墙探测线、右边墙脚探测线、底板中线探测线。

图7 红外探水测点布设示意图

连续3 d在无水、无人工热源的隧道侧壁监测得到的多次红外场强基准值为337 mW/cm2。红外探水预报距离为 25 m，故本次报告探测范围为ZK15+527～ZK15+502段。现场红外探测数据记录如表 1所示。

表1 掌子面红外探水结果

注：每行数据都由掌子面由左向右测得，单位均为mW/cm2

由表1可见，掌子面上36个测点的纵向、横向监测最大差值均大于910 mW/cm2，可以判定掌子面前方有水。

图8 沿隧道走向红外探测数据记录曲线

根据红外线场强值与距掌子面距离关系曲线图8分析，靠近掌子面附近，6条曲线均呈现较大幅度波动，表明掌子面附近25 m范围内存在异常场，推测掌子面前方25 m范围内有水存在。

3.4 开挖验证

当隧道掌子面开挖至ZK15+515时，在掌子面的右下方果然出现溶洞，掌子面上揭示的溶洞形态如图9所示。后经扩大洞口勘探查明，该溶洞的走向与隧道轴向基本一致，溶洞底板低于隧道开挖底板约2 m，溶洞最大高度约8 m，最大宽10 m，长约32 m，溶洞整体呈底部宽上部尖的倒置漏斗形态，溶洞底部被约1.8 m厚度的淤泥和水充填。

在隧道施工过程中，采用综合超前地质预报的方法，预报中的溶洞同实际隧道开挖揭示的位置、规模、形态和充填情况基本吻合。

图9 溶洞形态

4 结 语

总结分析了各种常用的超前地质预报方法优缺点，在岩溶隧道中继承、发展前人超前地质预报的思想，提出针对不同隧道地质条件，划分不同等级地段，结合地质情况合理采用不同的物探手段对掌子面前方的地质情况进行综合地质预报的方法。

综合超前地质预报技术和方法适合复杂地质条件下岩溶隧道的超前地质预报工作，在坚持长短结合、地质与物探结合、合理搭配、贯穿全程的基本原则下能很好的预报掌子面前方岩溶的位置、规模、形态和填充情况。

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