综合超前地质预报在岩溶隧道中的应用

冯 义

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

0 引 言

隧道工程设计之前的地质勘查工作，不仅受到地形条件、勘探方法、技术以及勘探成本的限制，而且由于地质体本身变化复杂，地勘工作不能准确地将地质情况真实反映出来，往往导致隧道施工过程中出现地质灾害，无法满足安全快速施工的要求，也无法兑现施工工期[1-5]。目前，较为常见的地质预报方法有：传统的地质分析法，如地质调查法、超前导坑(洞)法和超前水平钻孔法；现有的隧道负视速度法、隧道地震预报法(TSP)、隧道反射成像法(TRT)、极小偏移距地震波法等；基于电磁法原理的预报方法，如地质雷达法、隧道瞬变电磁法等；以及其他方法，如核磁共振法、红外探水法、温度探测法等。虽然超前地质预报技术发展迅速，但也存在一些问题，例如单一的探测手段适应性有限，并且存在探测结果的多解性，这就造成了隧道超前预报工作的准确性不高，施工事故频发。因此，隧道地质预报相关工作还需深入研究，以解决存在的各种问题[6-10]。

1 工程概况

贵广(贵阳—广州)高速铁路是中国在岩溶山区修建的高标准、高桥隧比(高达81.95%)的客运专线，全线长856.899 km，设计速度为250 km·h-1。贵阳至广西五通段地形起伏大，仅隧道占线路长度的比例就高达78%，施工难度大；该地区是中国岩溶发育最典型的地区之一，全线 23座隧道中碳酸盐岩隧道占有16座，共计40 800 m，隧道洞身穿越可溶岩段落达60%，共计24 480 m。其中16座揭露干溶洞、溶槽，占隧道总数的70%，共计45处，发育规模大小不一，并存在瓦斯等有害气体，一旦发生突涌水(泥)、瓦斯突出，后果难以想象。

2 钻孔地质雷达超前地质预报技术

2.1 基本原理与探测方法

对隧道掌子面前方进行探测时，在掌子面上不同位置打3个或3个以上钻孔，孔深不小于15 m，并把探头放入钻孔中进行测试，根据各个孔所测得的异常分布和各个孔的位置，用空间几何交汇的方法判定掌子面前方不良地质体的位置与规模。发射天线和接受天线同在1个钻孔中，并以固定间距沿钻孔从内向外移动，以固定间距触发，一般采用的间隔为0.5～1 m。钻孔地质雷达介质中的反射波形成雷达剖面，通过异常体反射波的走时、振幅和相位特征识别目标体，判明其位置、岩性及几何形态。图1为孔内雷达探测工作原理。从几何形态来看，地下异常体可概括为点状体和面状体两类，前者如洞穴等，后者如裂隙、层面等，它们在雷达图像上有各自的特征，其中点状体反射呈现双曲线，面状体反射呈现“V”字型。异常体的位置可通过反射波的走时确定，岩性则可通过反射波振幅判断[11-15]。

图1 钻孔雷达探测工作原理

2.2 观测系统

所谓观测系统就是布设超前钻孔。超前孔一般以梅花型布置，这样可以确保在探测范围内仪器的分辨率相同、管道定位准确。超前钻孔的直径一般大于65 mm，根据探测目标体深度设定钻孔深度。如果是简单的探测掌子面前方地质情况且不需要定位时，一般打1个或2个钻孔；如果需要准确定位不良地质体的具体情况，则需要在掌子面打3个以上的钻孔(图2)，并且保持钻孔之间尽量平行，钻孔之间的距离尽可能拉大，这样才能有效计算探测目标的产状及地质体特征。

图2 钻孔雷达孔位布置

预报工作分2步完成，即初步探测、精确探测。

(1)初步探测。中心孔CZ1一次钻进深度30 m，造孔完成后立即进行钻孔雷达探测，这样可初步探明洞身60 m深度范围内有无含水岩溶管道和裂隙。

(2)精确探测。分两次打周边超前孔CZ2～CZ5，一次钻进30 m，并分别在CZ2～CZ5孔中作雷达测试、孔斜测试，必要时作水流监测测试。

2.3 数据处理与成果解释

数据处理、分析、解释分3个阶段：中心孔CZ1雷达资料收集、周边超前孔CZ2～CZ5雷达资料(含中心孔)收集、地质分析与处理建议(探测到岩深管道或裂隙时)。

(1)中心孔CZ1雷达资料收集。初步对探测范围内的地质情况进行定性，当探测范围内无任何涌水异常管道或裂隙时，可以让施工快速通过。

(2)周边超前孔CZ2～CZ5(含中心孔)雷达资料收集。井中高分辨率雷达天线可以分辨出几厘米的岩溶管道，将5个水平孔的雷达数据进行成像处理，得到以隧道轴线为中心，半径为7 m、长为30 m的立体雷达图像，依据管道水的低阻、强反射特点，用空间几何交汇的方法精确确定涌水异常规模、位置。当管道水流动时，可以采用地下噪声监测技术估算管道水的流速，排除非涌水异常。

2.4 工程应用

将钻孔地质雷达技术用于探明胡家寨隧道出口掌子面DK93+040前方不良地质情况。

2.4.1 钻孔布置

采用YGL-100钻机在掌子面进行超前水平地质钻探。设计4个钻孔，分别为1#、2#、3#和4#，钻孔布置如图3所示。

图3 现场钻孔布置

超前地质预报组对2#、3#、4#三个钻孔分别进行了孔内雷达探测，而1#钻孔因水压太大未能探测。2#、3#、4#三个钻孔呈三角形布置，其探测参数如表1所示。

表1 超前钻孔参数

2.4.2 数据采集与处理

采用的地质雷达为美国SIR-20雷达，并利用400兆孔内天线进行数据采集，采集软件为SIR-20。采用分析软件RADAN 6.6对孔内地质雷达数据的采集记录进行处理与判读，以获得孔内雷达探测的分析结果。雷达剖面判读及分析是以雷达波形、电磁波反射强度、振幅和双程走时等参数推断掌子面前方地质的不良情况。实测钻孔2#、3#、4#的雷达成果剖面分别如图4～6所示。

图4 2#钻孔探测结果

图5 3#钻孔探测结果

图6 4#钻孔探测结果

本次钻孔地质雷达探测的综合解释图如图7所示。由图7可以看出：掌子面前方DK93+040～DK93+033之间围岩整体较完整，为白云岩，局部溶蚀裂隙较发育，由于后方岩溶管道补给水的作用，局部溶蚀较破碎，围岩较富岩溶水；掌子面前方DK93+033～DK93+025之间推测为溶蚀破碎带，受此影响该段围岩溶蚀较破碎，由于后方岩溶管道补给水的作用，围岩较富岩溶水；掌子面前方DK93+025～DK92+008之间推测发育有岩溶管道，岩溶通道的直径大致在0.2～0.3 m，地下水发育，该段围岩开挖过程中发生突水的可能性极大。

图7 综合地质解释

3 高精度孔内成像技术

3.1 孔内成像的原理与适用性

孔内成像技术的原理主要是依靠放在探孔中能自动调节光圈的广角摄像头，通过360°全方位彩色摄像对所测探孔壁面进行拍摄，在系统控制器上合成所得到的视频信号和计数脉冲，输出后的信号可在电视屏幕上将围岩破碎程度、松动层及裂隙产状直观地显示出来。当摄像机向下拍摄时，可获得全景孔壁图像环。针对不同直径的钻孔，在采集系统中需要调整摄像机的焦距，直到可以拍摄到清晰的孔壁图像为止。孔内成像仪对钻孔进行成像采集，可获得高分辨率的孔壁图像。

孔内成像技术对于钻孔有很好的适应性，不仅可以用于水平孔、垂直孔和倾斜孔(俯角、仰角)，还可适用于地质钻孔、混凝土钻孔和锚索(杆)孔等多种钻孔类型。由于该技术能够实现数字化钻孔，岩芯可以长期保存，弥补了在破碎地层无法获得实际岩芯的不足[16-20]。

3.2 探测方法与数据解释

为了使探测过程中钻孔内的探管处于居中位置，当正常安装并调试好钻孔电视成像仪后，需要根据钻孔参数对探头扶正器的大小进行适当调整。根据设计精度要求调整成像探头下行速度、声波探头内步进电机的转速和图像聚焦环窗口宽度等参数。设定的所有参数达到成像电视探测工作要求后，便可以正式开始成像数据采集工作。

3.3 工程应用

油竹山隧道平导(出口)DK89+965～DK89+941段钻孔录像测试成果如图8所示。通过分析可知：导洞掌子面前方DK89+965～DK89+941段探测深度内总体无较大不良地质缺陷，其中DK89+959～DK89+949段距钻孔中轴线1.5～3 m岩层面有溶蚀现象，局部溶蚀成宽缝。

图8 DK89+965～DK89+941钻孔成像成果

4 其他几种超前预报技术在岩溶隧道中的应用

4.1 地表踏勘

油竹山隧道进口平导洞P1K82+906处穿越高坡山，地形复杂，山高谷深，植被覆盖较好，河流分布广泛，如图9所示。出水掌子面位置隧道埋深约400 m，其对应的地表附近山丘集中，3条季节性冲刷河沟交汇且斜跨洞身，并在局部河段有突然断流现象(未在隧道正上方)，但未发现明显落水洞，测得断流沟两侧2组代表性岩层产状为30°∠10°、355°∠3°，推断掌子面附近可能有断层与隧道轴线相交。

图9 平导洞顶地貌

4.2 TSP预报技术

油竹山隧道进口平导P1K82+894～P1K83+014段进行了TSP超前预报。结果表明：探测范围岩性为灰白色白云岩，岩质硬，岩体较完整，局部破碎，地下水不发育。P1K82+894～P1K82+938段围岩与掌子面基本一致，属硬岩，节理裂隙不发育，地下水较发育，局部可能存在线状出水；P1K82+938～P1K82+976段围岩较完整，局部较破碎，地下水不发育；P1K82+976～P1K83+014段围岩较完整，属硬岩，地下水不发育，P1K83+000附近可能存在线状出水。揭露岩溶水之后，为了进一步探明前方的地质情况，进行了第2次TSP探测，如图10所示。由图10可知：掌子面前方P1K82+906～P1K83+006范围内，围岩总体表现为溶蚀裂隙较发育,由于地下水位线位于隧道顶部，与岩溶管道连通，P1K82+936～P1K82+951及P1K82+971～P1K82+989段出现较发育的岩溶富水区，存在岩溶水突出的施工风险。

图10 TSP 2D成果

4.3 超前钻孔预报技术

为探明油竹山隧道平导工程P1K82+906处前方地质情况，采用TEC-14钻机超前地质钻探作业。本次钻探共施作钻孔3个，孔位布置及参数如图11和表2所示。

图11 超前钻孔布置

通过钻孔情况，对该段的地质情况得出以下结论。

(1)P1K82+906～P1K82+936段岩性为白云岩，其中P1K82+906～P1K82+925段岩体较破碎～破碎，岩溶作用发育，地下水发育，P1K82+910、P1K82+917、P1K82+921、P1K82+924四处水量分别约为20、20、25、20 m3·h-1。P1K82+925～P1K82+936段岩性为白云岩，岩体较完整，地下水不发育。

表2 超前探孔参数

(2)P1K82+910～P1K82+911段发育溶蚀管道，富水，直径约1 m。P1K82+916～P1K82+917段隧道左侧发育溶蚀管道，富水，直径约1 m。P1K82+920～P1K82+923段隧道左侧发育溶洞，洞径大于3 m，洞内富水，有泥沙充填，开挖该范围易出现突水涌砂，应予以特别重视。

基于对油竹山隧道的综合地质预报，推断掌子面前方P1K82+906～P1K83+006范围内，围岩总体表现为溶蚀裂隙发育，如图12所示。P1K82+910～P1K82+911段发育溶蚀管道，富水，直径约1 m。P1K82+916～P1K82+917段隧道左侧发育溶蚀管道，富水，直径约1 m。P1K82+920～P1K82+923段隧道左侧发育溶洞，洞径大于3 m，洞内富水，有泥沙充填，开挖该范围易出现突水涌砂，应予以特别重视。P1K82+936～P1K82+951及P1K82+971～P1K82+989段出现较发育的岩溶富水区，存在岩溶水突出的施工风险。

图12 P1K82+906～P1K82+936溶洞预测

4.4 地质雷达预报技术

采用地质雷达对翁档隧道D3K97+863特大型溶洞进行预报，探测的结果如图13、14所示，掌子面前方围岩岩溶强烈发育，岩溶水富集，施工中有遇大型岩溶管道水突泥的风险。从图13、14可知：D3K97+868～D3K97+875溶蚀裂隙、溶穴发育，富集岩溶水；从D3K97+875处起向掌子面右侧延伸至D3K97+893，岩溶水与前一段连通。上述异常段岩体稳定性较差，岩溶水富集。

图13 雷达探测剖面

图14 解释成果

5 结 语

(1)孔内雷达对富水区隧道施工中富水构造、含水情况、软弱破碎带及节理和断层等不连续体的超前探测准确性较高，同时也有效减少了在隧道掌子面打设超前探孔的数量。超前钻孔难以有效预报隧道掌子面前方的小断层和贯穿性大节理，对于与隧道轴线平行的结构面的预报更是困难，而孔内雷达正好弥补了这一缺陷。

(2)将孔内成像技术运用到隧道施工超前地质预报中，能够对钻孔中地质体的不同特征和构造进行直观观测，可以直接掌握地层的岩性、岩石结构、裂隙、断层、夹层、岩溶等，并编录地质柱状图，弥补超前钻孔在钻孔取芯困难部位的难以获取地质信息的不足，尤其适用于岩溶地区地质预报。

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