公路隧道通过岩溶发育区的综合地质超前预报体系探讨

钟鸣

摘 要：目前，国内越来越多的隧道会穿过灰岩溶蚀区，这些区域会对隧道的安全掘进造成一定的影响。对此类隧道施工常用的物探手段进行了探讨，对一些工程实例进行了深入分析，总结了隧道通过灰岩溶蚀区有效的地质预报手段，并对各预报手段形成的隧道地质预报综合体系进行了初步探讨。

关键词：隧道；溶蚀区；采空区；地质超前预报

中图分类号：U452.1+1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.004

我国是世界上碳酸盐出露面积最大的国家，可达9.1×105～1.3×106 km2，而碳酸盐区是形成岩溶发育的主要岩性区，尤其以广西、贵州、云南、四川和青海东部所占的面积最大，西藏和北方一些地区也有分布。在此区域施工的隧道需要穿越岩溶发育区域，隧道通过岩溶发育区时存在的安全风险很大，一般岩溶发育时伴有涌水、突泥和溶蚀区围岩变形等较严重的不良地质灾害。因此，本文针对这一现象进行了调查、研究，并通过具体的工程实例分析，为隧道地质超前预报通过岩溶区的有效预报体系提供参考。

1 岩溶发育的形成机制

地下岩溶的发育主要受岩性、地质构造、地下水动力条件和气候等因素控制，本文主要探讨前3个因素，它们是岩溶发育的3个必要条件。

1.1 岩性

可溶性岩是岩溶发育的前提条件，碳酸盐岩是工程中最常见的可溶性岩类，其他可溶性岩包括硫酸盐岩（石膏、硬石膏等）、卤化物盐岩（岩盐）等，按岩石具有的可溶解性排列依次为：卤化物盐岩>硫酸盐岩>碳酸盐岩。

碳酸盐岩中按岩溶的发育程度排列依次为：岩质较纯的厚层石灰岩>白云质灰岩和白云岩>大理岩>泥质灰岩、泥灰岩、泥质白云质角砾岩>蚀变灰岩和矽卡岩。值得注意的是，在碳酸盐岩中，不溶于酸的物质（黏土、二氧化硅等）含量越多，岩石的可溶性则越低，岩溶也越不易发育。

1.2 地质构造

地质构造对岩溶发育的影响主要通过岩体破裂的结构面表现，构造裂隙的延伸方向常会控制地下岩溶的发展方向。可溶性岩石中的构造裂隙为地下水的运动提供了空间，它们是流动水下渗的主要渠道。岩石的裂隙越大，透水性越强，岩溶作用越明显。

地质构造对岩溶发育的影响主要表现在以下3个方面：①岩溶沿断层破碎带、裂隙发育。断层和裂隙对岩溶发育起着控制作用，特别是可溶岩区的张性断层破碎带有利于地下水的运移，地下岩溶特别发育，常发育有地下暗河、大型溶洞和地下湖泊等。②岩溶沿褶皱轴部发育。在褶皱构造轴部纵张裂隙较多，地下水易沿张裂隙溶蚀扩展，形成溶蚀裂隙或溶洞。③岩溶沿层面构造裂隙发育。在构造作用下岩层发生层间错动或滑动时，层间可产生层间裂隙，从而为地下水活动提供通道，易发育顺层岩溶。

1.3 地下水的动力条件

水的溶蚀能力来源于二氧化碳与水结合形成的碳酸，二氧化碳是喀斯特地貌形成的主要原因。水中的二氧化碳主要来自于大气流动、有机物在水中的腐蚀和矿物风化。这些反应在大自然中是十分复杂的过程，会受到温度、气压、生物活动、土壤等自然条件制约，且这些反应均可逆。水中的二氧化碳增多，反应向右进行，有利于碳酸的分解，岩溶的作用比较容易发挥；反之，则不利于岩溶作用。

流动的水溶蚀性更加强烈，这是因为补充了水中的二氧化

碳后，水的溶蚀作用才能顺利进行，水的溶蚀能力才能加强。同时，流动的水带动河底砂砾对岩石进行机械侵蚀，这样有利于岩溶作用的发挥。

2 岩溶发育区的隧道开挖风险

根据上述分析可知，隧道穿越岩溶发育区时，常见的工程风险包括以下3种：①岩溶填充物围岩变形。岩溶地区隧道围岩变形主要发生在填充黏土、黏土夹块石岩溶地段，易造成初期支护的变形破坏。②岩溶涌水。岩溶涌水主要是由隧道揭穿充水岩溶、岩溶突破隧道洞壁和充水岩溶壁间隔水岩层而导致的。③岩溶涌泥。岩溶涌泥是指在岩溶填充物饱水液化后，岩溶壁击穿呈流体状涌出。

3 工程实例

3.1 工程概况

广乐高速公路的主线为双向六车道高速公路，设计车速为100 km/h和120 km/h，全线隧道共28座，总长约36 km，隧道围岩岩性主要为灰岩、板岩、页岩、砂岩和花岗岩等。隧道洞口段普遍具有埋深较浅、地质条件较差的特点，洞身段地质条件复杂，存在溶洞、断层破碎带、高地应力、涌水和煤层采空区等不良地质现象，且不良地质段分布广、数量多，施工安全风险大。下面以广乐高速梅花2号隧道通过岩溶区预报实例进行系统分析。通过隧区地质纵断面图如图1所示。

3.2 预报过程

3.2.1 地质背景分析

由图1中的纵断面可知，在前期初勘发现该隧道+260～+300段为WF3断层破碎带，围岩为中层状灰岩，地表钻孔资料显示发育竖向的溶蚀裂隙，有黏土状填充物，无岩溶水。

3.2.2 预报实施计划

根据初勘地质资料分析，在断层前50 m位置布置了长距离预报，采用TGP206（地震波反射法）预报，以初步了解异常桩号和大致展布情况。

在长距离预报结果的基础上，采用短距离地质雷达法进行细致的勘探，进一步了解目标体的展布和产状。

综合以上物探资料后，如果有必要，则需在距离目标体5 m左右的范围内布置超前地质钻孔，结合掌子面地质编录，明确和验证物探预报结果，从而为隧道掘进提供可指导开挖方式和支护形式的地质资料。

3.2.3 工程具体预报实施

3.2.3.1 长距离TGP预报

在梅花2号隧道+240附近实施了TGP探测，此桩号掌子面为中、厚层状灰岩，围岩完整，节理裂隙均不发育，掌子面右侧有1条小溶缝。此围岩条件有利于突出后方的异常信号，能获得较好的预报效果。TGP预报结果如图2所示。由图2可见，+258～+320为长距离预报异常段落。

3.2.3.2 地质雷达预报结果

在掌子面桩号+256处进行了地质雷达预报，预报明确探测出前方30 m范围内溶蚀异常，在测线位置绘制了异常横断面图，具体如图3所示。

3.2.3.3 掌子面超前钻孔预报

根据地质雷达的预报结果，有针对性地布置了超前钻探，如图4所示。超前钻孔直观、明了，有效补充了以往物探手段中的不足。通过多种手段预报、分析，得到了梅花2号隧道掌子面+250前方的溶蚀构造的展布、产状和填充物情况，为进一步掘进提供了坚实的地质资料基础，保证了人员和设备的安全，避免了较大安全事故的发生。

4 结束语

本文通过分析岩溶发育产生机制，提出了隧道在岩溶发育区掘进时应采取的预报手段，并结合工程实例进行了对比分析，总结了岩溶发育区地质超前预报综合体系的工作要点：①岩溶发育区应在初勘地质资料基础上，分析预报目标地质背景和预报靶区；②根据分析结果制订可行的预报计划，并遵循“长短预报结合，物探多手段结合”的原则；③基于综合地质编录和超前钻探验证、物探预报结果，对地质情况进行分析，并指导施工。

参考文献

[1]王振东.浅层地震勘探应用技术[M].北京：地质出版社，1994.

[2]何发亮，李苍松，陈成宗.隧道地质超前预报[M].成都：西南交通大学出版社，2006.

〔编辑：张思楠〕

Abstract： At present， more and more domestic tunnel passes through the limestone dissolution area， these areas may affect the safety of tunnel excavation. To this kind of tunnel construction geophysical methods commonly used are discussed， some engineering examples are analyzed deeply， summed up the tunnel geological prediction by means of limestone dissolution zone effective， comprehensive tunnel geological forecast system and the formation of the prediction methods were discussed.

Key words： tunnel； karst area； goaf； geological prediction