岩溶隧道施工中综合超前地质预报的应用分析

阳书燕

目前，我国的岩溶隧道工程逐渐增多，岩溶隧道工程主要处于一些岩溶地区，这些地区工程地质条件主要为富水、岩溶或者断层破碎的地带，在施工过程中为了防止隧道出现塌方、突水突泥等一系列灾害，必须加强采用综合超前地质预报的方法来进行地质调查，只有合理应用地质预报的方法，准确了解岩溶隧道的地质情况，才能使岩溶隧道施工顺利进行。本文主要以向家包二号隧道工程为例，对岩溶隧道施工中综合超前地质预报方法的应用进行了深入分析，以期能够和设计资料进行相互印证。

近几年以来，我国为了促进各个地区密切展开贸易活动，正在投入大量的资金建设高速公路或高铁项目，以期能够构建完整的交通运营体系。在交通网络建设过程中，隧道施工作为至关重要的组成部分，许多山区的交通线路建设必须开凿隧道，而隧道的长度以及跨度也在不断增长，其逐渐面临各种复杂、险峻的地质条件，在隧道施工过程中经常出现一些岩溶地带、破碎带、暗河以及断层，这也导致隧道施工中容易发生塌方、涌水突泥等安全事故。在岩溶隧道工程进行设计时，需要对地质情况进行准确、详细勘察，只有做好岩溶隧道的综合超前地质预报勘查工作，才能为工程设计提供充足的参考依据，使隧道设计、施工环节顺利完成。笔者通过结合向家包二号隧道工程施工的实际经验，针对施工过程中的几种常用的综合超前地质预报方法进行了全面分析，以期能够起到参考作用。

一、工程线路概况

向家包二号隧道地址位于湖南省永顺县毛坝乡龙家界北侧，穿越龙家界山岗。隧道工程区位于中低山地区，高程460～870m，相对高差200～400m。而且隧道的洞身全部处于可溶岩岩体之中，这种地貌被称作岩溶垄岗地貌，在隧道的两侧有沟谷坡地，中间则属于垄岗地带。整个隧道的起讫里程为DK136+997～DK138+871，隧道总长度为1874m，双线隧道最大埋深355m。DK136+997～DK137+648.643位于直线段上，其它的均属于R=6000的曲线上，而且洞身为-16‰的单面下坡。

通过对隧道洞身的地质条件进行研究发现，其主要处于岩溶水垂直径流带，在岩溶裂隙溶洞具有丰富的水量，所以导致岩溶发育比较强烈。而且在隧道所处的地貌上整体呈现笼岗状、狭长状NE方向进行延伸，长度大约为10km，宽度大约为1km，高程为6500～879m，所以存在比较突出的地表溶蚀地貌，各种小型溶丘与岩溶洼地相间，大型溶洞，落水洞，岩溶漏斗星罗棋布。所以在进行岩溶隧道施工时，将会受到岩溶管道和岩溶含水体的影响，从而出现突发性涌水、突泥问题，必须充分运用超前地质预报的方法，对岩溶段落岩溶的具体情况进行超前探测，只有结合超前地质预报资料，才能对岩溶情况有一个清晰的了解，从而制定科学、合理的施工方案。在这一标段的超前地质预报工作中，主要应用地质雷达、TSP、超前水平钻孔以及超前探孔等几种主要方法。

二、综合超前地质预报方法的应用

在本次岩溶隧道工程施工中，所采用的综合超前地质预报方法，主要以地质调查法作为主要基础，并且结合运用地质雷达、TSP、超前水平钻孔以及超前探孔等多种方法，从而对地质地貌有一个全面的了解。

1.地质调查法

在岩溶隧道施工中应用综合超前地质预报方法，首先需要合理应用地质调查法，对岩溶隧道工程地带的实际情况有一个基本的了解，才能合理选用其它的预报方法来进行勘查。在工程地质调查过程中，主要结合档期已经掌握的地质资料、勘察资料以及已经开挖出来的地段显示的资料，然后运用赤平极射投影法，并结合相关的地质理论来进行推测分析，才能全面掌握岩溶隧道工程的地质情况。

2.地质雷达法

地质雷达法作为综合超前地质预报工作中应用比较普遍的方法，其也叫做地磁波法，其主要通过发射天线和天线接受组来组成探测系统，运用天线发射的广谱电磁波来对地下介质的基本情况进行准确探测。由于各种岩性地质体具有不一样的介电常数，通过对介电常数进行分析，能够准确了解岩性地质体的地下水发育情况以及岩溶地貌，所以运用地质雷达来进行探测，能够把掌子面的电磁反射波普图清晰地绘制出来，通过解译之后，能够准确得出工程地质的基本情况。

由于向家包二号隧道工程存在比较突出的地表溶蚀地貌，各种小型溶丘与岩溶洼地相间，大型溶洞，落水洞，岩溶漏斗星罗棋布，所以利用探地雷达能够准确预报出岩溶隧道工程的溶蚀不良地质情况。在本次预报探测过程中，主要采用美国SIR-20 雷达主机，而且在探测系统中配备了100 MHz的屏蔽天线，这样能够进行多次预报，然后和实际开挖情况进行准确对比，避免出现失误，一般在溶蚀破碎带、岩溶管道、溶洞以及暗河地区进行探测，能够获得非常强烈的反射信号，对于岩溶隧道中的水分进行准确识别。但是在进行预报时，只能对20m左右的岩溶隧道进行预报，甚至在一些围岩破碎的环境下，只能预报15m的情况。如图1中隧道上方和下前方会形成地震波反射，是因为岩体中存在的岩性变化带和构造破碎带，其介质的密度和其传播弹性波 的速度乘积，与正常岩体介质的密度和传播弹性波的速度乘积具有明显的 差别，像玻璃的背后附有水银会反光一样。岩体介质的密度和传播弹性波 的速度乘积物理学中称为“声阻抗”，岩体中界面两侧介质“声阻抗”的 差异越大，其界面上反射地震波的能力越强，反之亦反。界面与隧道轴线交角不同，数据处理中提取的的反射波同相轴形态会表现出不同。

图1 隧道地震预报原理图

3.TSP 地震波反射探测法

当前，在各种岩溶隧道施工过程中，TSP(tunnel seismic prediction) 地震波反射法也是比较常用的综合超前地质预报方法，其主要针对一些不均匀的地质环境来进行地震波反射探测。在具体的应用过程中，首先通过人工的手段在隧道中开挖侧壁，从而形成排列相对比较规则的一些微型震源，这样才能使地震波充分激发出来，然后呈现球面扩散的形式，使地震波能够朝向岩溶隧道工程的围岩周边进行扩散传播，并且运用接收器终端对地震波进行接受，时刻反馈不良地质体的相关波形数据（笔者在图2中进行了展示）。通过对反馈的地震波数据进行研究发现，能够详细地观察地震波向周边的传播速度、强度、延迟时间、波形以及传播路径，这样能够对岩溶隧道工程的围岩地质体进行全面了解（具体的地震波数据采集方式如图3所示）。针对某些特定的岩溶地区，如果在掌子面的前方中出现一些溶洞，这些溶洞呈现平面形状，那么运用TSP地震波反射探测的方法，就能够探测出溶洞的详细情况。但是在溶洞中出现许多不规则的形状，也就是岩溶溶洞中的岩石具有各种不同的差异化特征，那么在运用TSP地震波反射探测方法时，就会变得比较困难。所以，在不同岩溶性质的隧道工程施工中，需要充分结合实际情况，合理选择应用综合超前地质预报方法，发挥TSP方法的应用优势，才能获得准确的地质预报结果。

图2 TSP地震波反射探测法的应用原理

图3 TSP地震波数据采集原理图

4.超前水平钻孔法

在综合超前地质预报工作中，通过运用超前水平钻孔法，也能够准确了解工程地质情况，其主要通过钻机在隧道的掌子面位置来进行钻探操作，并且结合相关的设计参数来执行钻探施工，笔者在图4、5中把正道、辅助坑道超前水平钻具体的布置方式进行了展示，必须严格按照实际情况来采用科学、合理的设计方案，严格按照图6中的实施流程来进行超前水平钻孔施工，才能能使超前水平钻孔施工达到良好的检测效果。通常在一些探测断层、破碎带、岩溶隧道、煤层瓦斯以及存在重大异常的位置应用超前水平钻探的方法，其中主要应用取芯钻或冲击钻等两种不同的方式。在岩溶隧道施工中运用超前水平钻孔的方法，需要在掌子面的位置进行均匀布孔，对于钻孔的位置和角度进行合理设计，这样才能使探孔工作质量有效提高。同时，作为施工技术人员，需要对钻孔工作进行全程跟进，及时进行记录，观察钻进效率以及钻孔的出水量，才能准确地对工程地质情况进行判断。通常应用日本、意大利或北京地区生产的自行式履带钻机来进行钻孔探进，能够加快钻探操作速度，而且不会对施工现场造成较大的影响。

图4 正洞开挖超前水平钻孔设计图

图5 辅助坑道开挖超前水平钻孔图

图6 超前水平钻实施流程图

三、结语

综上所述，在岩溶隧道工程施工中，地质调查法、地质雷达法、TSP地震波反射探测法以及超前水平钻孔法作为应用比较普遍的几种综合超前地质预报方法，必须充分结合工程地质的实际情况，合理选择应用钻探方法，才能获得更加准确的地质预报结果，促进岩溶隧道施工顺利开展。