综合超前地质预报方法在长大风险隧道中的应用

王 勇，罗芳培

(1.中铁二局股份有限公司，四川成都 610031;2.成都畅达通科技发展有限公司，四川成都 610041)

由于长大风险隧道地质条件的复杂性、多变性，在勘察阶段要准确无误地确定隧区地质岩体的状态、特征，并准确预测隧道施工中可能引发的地质灾害的位置、规模及性质是十分困难的。我国自20 世纪80年代以来，在隧道施工中陆续开展了超前地质预报工作，并逐步贯穿于隧道施工的全过程，取得了较好的效果［1］。

本文以成渝铁路客运专线缙云山隧道为工程背景，介绍施工阶段重视和加强超前地质预报，建立超前地质预报系统，最大限度地利用地质理论和先进的超前地质预报技术，预测预报掌子面前方的地质情况，对于安全施工、提高工效、缩短施工周期、避免事故损失具有重大意义。

1 工程概况

缙云山隧道是成渝客专中的一条长大风险隧道，位于重庆市境内壁山～九龙坡区段，起讫里程DK275+355～DK278+530，全长3175 m。隧区属丘陵地貌，丘槽相间，地形波状起伏，地面高程327～637 m，相对高差20～100 m，最大埋深约300 m。隧道地处剥蚀低山地貌，地形受构造控制。隧区位于新华夏系四川沉降带川东褶皱带中，隧区主体构造为温塘峡背斜。隧区围岩松软，岩体破碎，节理、裂隙发育，以Ⅳ和Ⅴ级围岩为主。隧道穿越煤系地层，为低瓦斯隧道，局部有瓦斯积聚的可能，安全风险大。

2 超前地质预报目的

施工阶段的地质工作，即超前地质预测预报，是设计阶段地质工作的继续。因此，施工超前地质预报的目的，是进一步落实设计的地质情况，修正、完善设计的工程地质和水文地质资料，以保证实施的施工方案的正确性，防止施工坍方、瓦斯突出或突涌水等地质灾害发生。

3 超前地质预报方案

鉴于缙云山隧道施工存在坍方、瓦斯突出等风险，一旦发生将产生灾难性后果。因此，根据目前国内外的经验，为确保缙云山隧道的施工安全，并较准确地预报前方不良地质情况，采用综合超前地质预报方法比较科学。根据现场的实际情况，合理的采用多种预报手段，扬长避短，相互补充，相互验证、多角度、多参数地对掌子面前方的地质情况进行预报。

具体实施方法为:建立宏观预报、长距离预报与中、短距离预报相结合、地质探测与物理探测相结合的多步预报预警机制，构成低瓦斯隧道施工的地质综合预报系统，进行不良地质情况的超前预报。综合超前地质预报的具体流程如图1所示。

图1 综合超前地质预报流程

4 超前地质综合预报“三阶段”方案

4.1 宏观预报

隧道所在区域的地质分析和宏观预报是超前地质预报的基础和前提，是隧道高水平不良的施工地质灾害超前预报不可或缺的第一道工序。只有在地质分析和宏观预报的指导下，才能更准确、更有效地实施下一步的洞体不良地质体地质超前预报、超前钻探、判断和临近预警等后续预报工作［2］。因此，在进场施工前，指派地质人员对设计院提交的地质勘察资料进行复核，必要时辅以现场地面调绘，对隧道的地层分界线、对地层岩性、断层产状、断层出露位置及规模、节理裂隙发育、隧道围岩类别作进一步的落实，对可能涌水段等工程地质问题进行预测。

4.2 长距离预报

长距离预报是以宏观预报为指导，以地质分析及长距离物理探测方法相结合为手段，预测掌子面前方100～150 m范围内存在的岩层分界线、破碎带和涌水突泥等不良地质体的发育位置及规模。

4.2.1 地质分析法

由于缙云山隧道的主体构造为温塘峡背斜，根据斜井超前隧道正洞所揭示的地质情况，使用地质分析法可推断隧道正洞的地质情况，并对预报段进行重点关注。

4.2.2 陆地声纳法

陆地声纳法是用锤激震源以及检波器和仪器结合，可激发和接收从10～4000 Hz 的波，然后通过分窗口带通滤波提取不同频段的反射波，高频段的反射波可反映薄层和大节理等和小溶洞，低频段的反射波可反映较大的断层、较厚的岩脉、岩层和大溶洞，通过不同频段反射的图像对比，可以分辨不同的不良地质体［3］，每次预报需0.5 h。

4.3 中短距离预报

中短距离超前地质预报是在长距离超前地质预报的基础上进行的，预报掌子面前方20～50 m 范围内的不良地质情况，判断围岩类别等。所采用的预报方法有地质雷达法、超前钻孔探测和加深炮孔探测。中、短距离预报是在长距离预报的基础上进行的，所以预报的精度一般要超过长距离预报，特别是对不良地质性质的预报，对地质灾害而言，相当于临灾预报。

4.3.1 地质雷达法

地质雷达能预报掌子面前方地层岩性的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力，但探测的距离较短，大约在20～30 m 之间，同时雷达记录容易受到干扰［4］。主要考虑在接近陆地声纳法探测的异常段前方对其进行复查和确认，硬件采用拉脱维亚生产的Zond－12e 地质雷达仪，75M 偶极非屏蔽天线，软件采用矿大GR 雷达处理分析系统，每次预报需20 min。

4.3.2 超前地质探孔(30 m，不取芯)

使用YGL－100A 型潜孔钻机实施超前地质钻孔探测，钻进30 m 约需4 h。该钻机可显示和记录钻进过程中即时的钻孔深度、钻进速度、推进力、转速、扭矩、进水量、进水压力、打击能以及变化曲线［1］。现场技术人员对钻进过程进行全程监控，当上述参数有异常变化时，记录下钻孔深度，观察钻孔冲洗液颜色是否变化，冲洗液水量是否增加，判断是否遇到瓦斯地带、破碎带或富水带。在接长钻杆的间隙由现场技术人员采取岩粉判定前方岩体的岩性。钻进结束时对钻孔涌水量和水压进行测量，钻进过程辅以拍照或摄像记录。根据对钻机记录的数据和钻进全程监控资料的综合分析，得出前方围岩的岩性和水文特征。

缙云山隧道DK275+510～DK277+405 段落范围内，每个断面布设3个108 探孔，DK275+405～DK278+490 段落范围内，每个断面布设1个108 探孔。探孔长度30 m 左右，相邻探孔搭接长度5 m。隧道超前地质探孔布置示意图如图2 所示。

图2 超前地质探孔布置示意

4.3.3 加深炮孔(5 m)

在每次开挖循环进行爆破钻孔施工时，若遇到超前地质长探孔未发现的异常情况时，立即通过YT－28 风钻或凿岩台车等将钻孔加深作为超前短探孔。每断面均匀选取3个孔，探孔深度加深至5 m，并与在掌子面已存在的长探孔位置相互错开，通过对短探孔钻进中钻进速度、冲洗液的变化、岩粉性质、涌水量、水压等数据进行分析，进一步探明掌子面前方的工程地质条件。

综上所述，缙云山隧道的综合超前地质预报方法如图3所示。

图3 综合超前地质预报示意

5 结束语

(1)长大风险隧道地质情况复杂，必须将超前地质预报工作纳入施工工序中，配备相关人员、设备，以保证工程快速、经济、安全、顺利进行，避免灾害发生。

(2)详细的勘察工作是建立宏观预报的基础，在充分研究勘察设计阶段地质资料的基础上，将各种方法与技术有机结合，合理确定超前地质预报的方法，建立超前地质预报系统。只有在宏观预报的指导下，才能发挥各种地质超前预报方法的技术优势，准确、有效地实施洞内不良地质体超前预报和施工地质灾害监测，以及临近预警等后续预报工作。

(3)因地制宜综合应用各种超前地质预报方法，相互印证与补充。地质分析方法作为基本方法必须加强，各种物探技术作为快速“侦察”手段应大力发展［1］，超前地质探孔法在地质复杂地段必须坚持应用，并纳入施工组织设计。

［1］荆志东.特长隧道地质超前预报方法研究［J］.铁路勘察，2005(3)

［2］王光权.物探方法在圆梁山隧道超前地质预报中的应用［J］.物探与化探，2005(4)

［3］钟宏伟，赵凌.我国隧道工程超前预报技术现状分析［J］.人民长江，2004(9)

［4］代高飞，夏才初，毛海河.地质雷达在隧道超前预报中的应用［J］.西部探矿工程，2004(9)