隧道“靶向钻孔”综合超前地质预报探水技术研究

王书彬

(中铁十九局集团有限公司 北京 100076)

1 引言

成兰铁路起于成都，对接兰渝铁路，其将是我国一条在海拔3 000 m以上高原修建的“天路”。跃龙门隧道是全线的控制性工程，全长19.981 km，采用双线分修形式。其穿越我国著名的龙门山山脉，区内不良地质类型多、规模大、地质构造复杂，特殊岩土分布广泛，工程处理量大，属于地质条件十分复杂的艰险山区极高风险隧道工程。隧址区往往具有岩溶高水压、富水、溶洞及断层发育的地质特征，施工过程中经常会出现无法预料的不良地质灾害，如突水、突泥、坍塌等，一旦发生事故将造成巨大经济损失和人员伤亡，施工阶段风险管理远高于其它类型隧道。因此在隧道掘进前获取掌子面前方的地质信息，是保障隧道安全施工的重要措施。

超前水平钻孔是最直观的识别掌子面前方地质条件的超前预报方法。通过对钻速、驱动压力和出水分析，可以直接获得掌子面前方岩性、构造、地下水、软弱层等地质特征。然而，超前水平钻孔存在成本高、耗时长、“一孔之见”容易产生漏报的缺点[1]。传统的超前水平钻孔在掌子面的布设往往采用固定的三角式分布，无法根据实际情况灵活调整钻孔位置和数目，具有一定盲目性。

2 工程技术背景

成兰铁路跃龙门隧道穿越龙门山山脉，不良地质发育，隧道通过多个可溶岩段，断裂裂隙、节理裂隙发育密度较大，地下水循环条件较好，沿裂隙及层面多发育岩溶化裂隙、微型洞穴和溶蚀孔洞，局部存在管道。岩溶发育构成了隧道施工中的突涌水威胁。此外不同岩性层接触带、断层破碎带及褶皱核部地带易富水，也是隧道突涌水的危险地带[2]。

以跃龙门隧道3号斜井灰岩富水段为研究主体，基于由TSP法、瞬变电磁法、激发极化法组成的超前综合地质预报体系，得到掌子面前方的综合地质信息。根据综合预报结论优化靶向钻孔的位置与数量，既节省了超前钻孔的数量，又有效避免了超前钻孔存在的“一孔之见”的缺点。总体上形成“长距离预报与短距离预报结合，二维宏观探测与三维精准探测结合，超前地质预报与靶向钻孔验证相结合”的新型超前地质预报方法[3]。通过施作靶向超前钻孔，既可以验证综合超前预报结论，还可对掌子面前方的含水构造进行泄水降压(见图1)。

图1 跃龙门隧道3号斜井掌子面超前水平钻孔

3 “靶向钻孔”综合超前地质预报技术原理

传统的针对隧道突水突泥不良地质区段，结合多种探测手段形成“长距离预报与短距离预报结合，二维宏观探测与三维精准探测结合，超前地质预报与靶向钻孔验证相结合”的新型超前综合地质预报方法，通过对现有超前地质预报方法的组合优化应用，规避了单种方法的局限性。施工现场超前地质预报应用效果显著。

3.1 “长距离预报与短距离预报结合”超前地质预报技术

针对每一种探测方法探测距离的特点，结合多种超前地质预报方法对比分析，TSP法有效探测距离为0～130 m；瞬变电磁法探测距离为20～100 m；超前水平钻探探测距离为0～150 m；激发极化法探测距离为0～30 m。长距离超前预报探测距离较长，但准确性稍差，短距离超前预报探测距离较短，但准确性较高。两者的结合可以取长补短，有效提高超前地质预报的准确性[4]。综合各种探测方法，确定探测距离为30 m时综合预报效果最佳。

3.2 “二维宏观探测与三维精准探测结合”超前地质预报技术

隧道在复杂施工条件与地质条件下，通过对现有超前地质预报方法的组合优化应用，规避了单种方法的局限性，还可对隧道施工可能产生威胁的不良地质体进行精准的空间定位，以便更好地采取应对措施。

(1)宏观定性预报——TSP法。属于地震波探测法，对可能给隧道施工带来安全隐患的断层、破碎带、采空区、岩溶富水区等不良地质构造具有较好的定性预报效果，但很难实现不良地质体的精准定位(见图2)[5]。

图2 TSP超前预报原理

(2)二维定位预报——瞬变电磁法。是一种时间域电磁法，对低阻体有着异常的敏感性。因此在探水方面有其独特的优越性，可实现掌子面前方含导水构造及富水区域的二维精准定位(见图3)[6]。

(3)三维定位定量预报——激发极化法。是电法勘探的一个重要分支。该方法通过采用多同性源阵列式观测方式，可以实现隧道掌子面及其周边区域(20 m×20 m)、掌子面前方区域(30 m)的含导水构造及富水区的三维精准定位(见图4)。通过二电流半衰时之差可以对探测范围内的静水量进行估算[7]。

图3 瞬变电磁法原理

图4 激发极化法原理

3.3 “超前地质预报与靶向钻孔验证相结合”技术

采用超前水平钻可对掘进前方进行0～150 m钻探，它可以比较直观地探明钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、岩溶及地下水发育情况等。尤其在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等复杂地质条件时必须采用[8]。

但是随着钻孔距离越长其钻探角度偏差也越大，成本高、耗时长，“一孔之见”容易产生漏报。结合超前地质预报综合判识结果，采用超前水平钻针对溶槽、溶洞、富水点等部位进行“打靶”式钻孔验证，钻孔长度依据含水体赋存状态确定，一般不超过30 m。通过优化靶向钻孔的位置与数量，节省了施工工期和钻孔数量。同时通过“靶向定位”钻孔还可对富水区域进行降压泄水，利用系统化的反坡排水设施加强抽排水工作管理，进而降低前方未施工区段的水压，为后期隧道掘进支护施工降低施工风险。

4 “靶向钻孔”综合超前地质预报实施技术要求及预报评价

4.1 靶向超前钻孔法施工准备

经上述综合超前地质预报结果进行比对分析，需确定掌子面前方需验证的地质构造[9]:

(1)断层、破碎带；(2)不同岩性交界面；(3)溶洞(干溶洞、充水或充泥溶洞)；(4)含导水构造三维展布形态；(5)富水区具体位置。

4.2 “靶向钻孔”设置原则

(1)靶向钻孔的设置应首先覆盖激发极化法及瞬变电磁法探测到的含水构造与富水区，并以能探测到TSP法预报可能存在的不良地质构造为宜。

(2)一般地段采用冲击钻。冲击钻不能取芯，但可通过冲击器的响声、钻速及其变化、岩粉、卡钻情况、钻杆振动情况、冲洗液的颜色及流量变化粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度、溶洞、暗河及地下水发育情况等。

(3)复杂地质地段采用回转取芯钻。一般只在特殊地层、特殊目的地段、需要精确判定的情况下使用。如煤层取芯及试验、溶洞及断层破碎带物质成分的鉴定。

4.3 靶向钻孔施作技术要求

(1)孔数。断层、节理密集带或其他破碎赋水地层每循环可只钻一孔；赋水岩溶发育区每循环宜钻3～5孔，揭示岩溶时，应适当增加，以满足安全施工和溶洞处理所需资料为原则。具体孔数及布置方法应根据现场实际情况及物探结论确定。

(2)孔深。不同地段不同目的的钻孔应采用不同的钻孔深度。钻探过程中应进行动态控制和管理，根据钻孔情况可适时调整钻孔深度，以达到预报目的为原则。

(3)孔径。钻孔直径应满足钻探取芯、取样和孔内测试的要求，并符合现行《铁路工程地质钻探规程》(TB 10014-2012)的规定。

富水岩溶发育区超前钻探应终孔于隧道开挖轮廓线以外5～8 m。

4.4 “靶向钻孔”预报实施及评价分析

跃龙门隧道3号斜井段岩溶中等～强烈发育，围岩以寒武系清平组灰岩为主，岩质坚硬，围岩较破碎，节理裂隙发育。跃龙门隧道3号斜井掘进至XJ3K0＋396发生涌水，后续洞内被淹70 m，涌水量约为1 000 m3/h。

施工现场进行昼夜抽排水，水位下降后立即组织现场超前地质预报工作，采用TSP、瞬变电磁、激发极化多种预报手段(见图5～图8)。根据综合预报判识得出的三维成像图、低阻提取图以及半衰时之差等数据，得出预报结论如下:

(1)XJ3K0＋393～XJ3K0＋380段落:三维反演图像中掌子面前方出现低电阻率区域，分布在整个掌子面下部区域，电阻率在50 Ω·m左右。二电流半衰时之差出现正值，推断可能为导水通道或破碎富水区。

图5 TSP法观测成果图

图6 瞬变电磁法测线布置图及探测结果

图7 激发极化法半衰时之差

图8 激发极化法三维成像结果与低阻异常区提取及布孔图

(2)XJ3K0＋379～XJ3K0＋372段落:三维反演图像中掌子面出现低电阻率区域，主要分布在掌子面左侧与中部区域，电阻率在80 Ω·m左右。二电流半衰时之差为正值，可推断为导水通道或破碎富水区。

(3)XJ3K0＋371～XJ3K0＋363段落:三维反演图像中掌子面出现低电阻率区域，分布在掌子面整个区域，电阻率在70 Ω·m左右。二电流半衰时之差为正值，可推断为导水通道或破碎富水区。

根据半衰时之差数据，得出掌子面前方30 m区域内净水量约为700 m3。

(4)根据之前得到的综合预报结论，在掌子面上选择超前靶向钻孔的位置进行验证。

(5)实施效果及评价:跟据超前靶向钻孔的现场记录表，4个靶向钻孔均较好地揭示了掌子面前方的含水构造，与预报结论吻合。

5 超前地质预报实施过程中注意事项

(1)TSP法炮孔和接收器孔的角度应控制在允许范围内，以求更好的爆破效果；炮眼的位置应保持在同一水平面上，间距应按要求控制均匀，如遇到拱架或格栅钢筋，可适当调整[10]。

(2)瞬变电磁法要60 m左右的探测深度，选择2 m×2 m的矩形线框较为合适；探测时须将探测线框尽量平行贴近掌子面(尽量耦合)，以达到最佳观测效果；如遇到隧道内钢拱架(或格栅拱架)紧跟掌子面施工的情况，可将左右边界测点远离边墙1～2 m探测，以及将钢拱架(或格栅拱架)等金属支护结构退离掌子面至少10 m以外，以减少其对探测结果的影响。

(3)激发极化法测量电极、供电电极、接地电极要通过耦合剂保证与钻孔牢固耦合(见图9)；打孔及布设电极时要加强量测精度，量测误差要小于5 cm，如遇到拱架或格栅钢筋，可适当调整；对于有明显异常的采集数据，先检验采集点处的电极是否有松动、脱落的现象，之后重新采集。

图9 激发极化测量电极及供电电极布置

(4)施作靶向钻孔时在钻机定位完毕后，应通过测量根据综合预报确定的钻孔空间位置进行精确放样；当岩层由软变硬时应采用慢速、轻压钻进一定深度后，改用硬岩层的钻进参数。钻进中应减少换径次数。本循环钻孔完毕后，根据测量结果总结出钻具的下沉量，下一循环钻探时通过调整孔深、仰俯角等措施控制下沉量在设计要求的范围内，达到技术要求的精度[11]。

(5)孔口管锚固可采用环氧树脂、锚固剂，亦可采用快凝高强度膨胀的浆液锚固，锚固长度宜为1.5～2.0 m。孔口管外端应露出工作面0.2～0.3 m，用以安装高压球阀。

6 “靶向钻孔”综合预报体系经济性对比分析

“靶向钻孔”目标性高，可直观揭示并验证预报结论中的不良地质构造，既节省了超前钻孔的数量，又有效避免了超前钻孔存在的“一孔之见”的缺点。该技术操作简单、方便快捷且成本较低，基本不影响隧道正常施工。

6.1 传统超前水平钻探预报费用

按照设计和超前地质预报规程要求，由于无详细、准确的超前地质预报资料，且不能针对定量区域进行目的性钻探，掌子面施工超前水平钻孔数量、钻孔深度都无法预测。根据跃龙门隧道1号斜井下穿高川河段，超前水平钻探方案每30 m需至少进行钻孔20个孔，孔深共计440 m计算(此处按照整体预报90 m富水段进行预报)，超前水平钻探费用总计约44万元。

6.2 “靶向钻孔”新型预报费用

采用TSP法平均预报距离为100 m，每次预报施工时间为4～6 h，取5 h；瞬变电磁法预报距离为80 m，预报施工时间为1 h；激发极化法预报距离为30 m，每次预报的施工时间为2.5 h；靶向钻孔施作时间随钻孔数量按照5孔，孔深共计40 m计算。

(1)材料成本。设计采用TSP法预报，需要在边墙钻炮孔共计24个、接收器孔1个，其每延米预报成本为0.247 2＋0.696＋30＝30.94元。其中炸药24孔成本0.247 2元、雷管0.696元；每次预报消耗一根专用接收器管30元。

瞬变电磁法预报每次探测深度为80 m，成本为5 000 元/次。

激发极化法预报需要在围岩、掌子面及底板上钻孔共计36个。预报需采用激发极化法专用电极及耦合剂。每延米预报成本40元，超前水平钻探费用总计14 300元。

(2)设备购置成本。仪器设备购置费用:TSP 203为230万元，隧道专用瞬变电磁仪为80万元，隧道专用激发极化仪为80万元。

(3)此处按照整体预报90 m富水段进行预报，合计费用＝30.94×90＋5 000＋14 300×3＝50 684元(约5万元)。相较于全区段超前地质预报方法可直接节约成本39万元。

6.3 经济性对比分析

“靶向钻孔”有针对性地验证掌子面前方含水构造及富水区，可以节约钻孔量、节省超前钻探费用。及时改变支护参数，确保隧道穿越岩溶区时的施工安全，减少由于地质变化原因和含水构造揭露所带来的经济损失[12]。

综合以上原因分析，采用“靶向钻孔”超前地质预报技术成本节约近120万元，风险降低创效高达830万元。

7 结束语

隧道工程“靶向钻孔”综合超前地质预报施工探水技术通过对超前地质预报方法的优选，可有效预报掌子面前方不良地质构造，推断含水构造三维空间展布形态并估算探测区域内的静态水储量。预报准确性高、结论直观易懂。依据综合预报结果，可针对性地对掌子面前方不良地质构造进行钻探验证，节约了钻孔数量及施工工期。本技术在跃龙门隧道施工中的应用，确保了隧道安全、优质、高效施工，取得较好的社会效益和经济效益。