综合超前地质预报在岩溶地区轨道交通隧道中的应用

甘爱明（上海地铁咨询监理科技有限公司， 上海 200032）

0 引 言

近年来，发展迅速的城市轨道交通为缓解城市整体交通压力和绿色出行作出了重大贡献。随着城市轨道交通的不断发展，工程建设面临着诸多挑战，除了工程建设本身的一些技术难题以外，由工期要求或场地限制等因素带来的难题越来越多。例如，在城市轨道交通建设中，因受投资控制、场地限制、进度控制等因素的影响，对于复杂地质段落设计阶段的地质勘察成果难以做到面面俱到。特别对于岩溶地区浅埋暗挖区间隧道施工来说，其地质条件复杂多变，若不能有效探明不良地质条件，则会给施工阶段带来很高的安全风险。为了确保建设施工安全，施工阶段常会采用超前地质预报来进一步探明岩溶发育区域不良地质体的分布情况，但单一超前地质预报方法总有一定的局限性，若结合工程特点及各种超前地质预报方法的特点，制定综合的超前地质预报方案，则更能准确地探明岩溶发育情况。笔者将对目前常用的超前地质预报方法特点进行分析，以岩溶地区某轨道交通工程区间隧道综合超前地质预报应用为背景，探讨综合超前地质预报手段的应用成果。

1 常见超前地质预报方法分析

地质预报方法一般分为地质分析法和物探类方法。地质分析法包括：工程地质调查法、超前导洞（坑）法、超前钻探法、经验法等；物探类方法包括：TSP 超前地质探测、地质雷达法、瞬变电磁法、激发极化法等[1]。按照探测的有效距离，地质预报方法还有长距离和短距离之分。

1.1 地质分析法

1.1.1 工程地质调查法

工程地质调查法主要是在分析岩溶发育机理的基础上，结合隧道水文地质情况，大致推测出隧道线路上岩溶形态的分布规律，从而划分岩溶超前预报的重点地段并推测。此种方法可推测整个区间岩溶的发育情况，结果较为宏观，可作为超前地质预报地段选址的判断方法，能起到提高岩溶超前预报的准确性和经济性的效果，但不能作为岩溶发育的定量分析方法。

1.1.2 超前钻探法

超前钻探法主要应用于超前地质预报，以洞内超前水平钻探、地面垂直钻探为主。该种方法较为直观，针对单一的不良地质体探测结果较为准确，一般探测预报长度可达 30 m。但是，不均匀的地质条件和不良的地质体多发情况，会增加超前钻探法的探测难度，若遇到平行钻探方向的裂隙、节理发育等，则更难以探测；此外，在城市轨道交通建设中易受场地限制，在一定程度上也限制了超前钻探法的应用。

1.2 物探类方法

常见的物探法主要有地震反射波法（TSP、TRT 等）[2]、地震散射波法（SSP 等）、地质雷达[3]、红外探水[4]、瞬变电磁[5]等。各种物探方法都是基于一定理想模型进行计算分析的，从而都有各自的局限性和适用性[6]。具体分析详见表1。例如，TSP 多用于洞内长距离超前地质预报（100 m～200 m），地质雷达、红外探水等多用于短距离预报（15 m～ 30 m）[7]。

2 应用实例分析

以某岩溶地区轨道交通暗挖隧道区间为例，分析其设计阶段的地质条件及对周边环境的调查情况，据此选择合适的综合超前地质预报方案；将后期施工揭露岩溶的发育情况与综合超前地质预报方案的应用结果进行比对分析。

2.1 工程概况

该暗挖区间隧道起讫里程为 RDK0＋067.614～RDK1＋422，全长 1 354.386 m，采用矿山法施工。设计阶段资料显示 RDK0＋067.614～RDK0＋226 段地质条件最为复杂，其余段落隧道埋深较深且相对不良地质情况发育较少。因此，选取 RDK0＋067.614～RDK0＋226 段作为代表段进行后述内容分析，该段地质情况及周边环境情况如下。

（1）地质情况。该段场区发育有正断层，与隧道线路呈 80° 相交，断层破碎带宽约 5 m，断层影响带宽约 10 m ～ 15 m，富水性中等。受断层构造影响，场区岩层产状变化较大，隧顶埋深为 8 m～12 m，隧道围岩为三叠系下统安顺组（T1a）强风化、中风化薄至中厚层泥晶白云岩，覆盖层多为红黏土，呈可塑～软塑状，该层厚 0.0 m～8.1 m，软塑红黏土多分布于低洼溶槽地带及溶洞充填物，分布零星、不连续，岩溶发育程度等级为强发育。

（2）周边环境情况。隧道上方为既有社会道路，车流量大，物流重车多。该处地势较低，地表水补给较为丰富，既有雨污水管道有局部范围破损。

2.2 综合超前地质预报方案

根据上述超前地质预报方法的特点分析，考虑到该段地层岩性特征、地层富水及地表水补给情况、浅埋暗挖隧道特点、周边环境等实际情况，本着全方位、全过程探测岩溶发育和不良地质体的原则，综合超前地质预报方法的选择遵循以洞内为主、洞外为辅和长、短距离探测相结合的思路。考虑到施工会改变围岩边界环境，将超前预报时间贯穿于施工前、施工中、施工后。结合上述地质情况和周边环境调查结果，选择该区间隧道 RDK0＋067.614～RDK0＋226 段综合超前地质预报方案（见表2）；其余段落的地表环境和地质条件相对简单，仅选用了洞内 TSP、超前钻探、红外探水及地质雷达作为综合超前地质预报方法。

表2 RDK0＋067.614～RDK0＋226 段区间隧道综合超前地质预报方案

2.3 综合超前地质预报结果分析

为了更好地讨论综合超前地质方案的应用成果，笔者将同一段落施工前用不同方法探测的不良地质情况作了汇总（见表3）。

根据现场开挖实际揭露情况及超前钻探结果，表3 中五种超前地质预报方法探测出的异常点大部分都是吻合的，小部分填充型溶腔、溶槽未被探测出。为了更好地进行比对分析，根据表3 情况，绘制成各超前预报方法施工前探测结果的对比图（见图1），结合现场实际剖析超前钻探情况，具体如下。

表3 RDK0＋067.614～RDK0＋226 段区间隧道施工前综合超前地质预报异常点汇总表

图1 各超前预报方法施工前探测结果对比图

（1）洞内三种超前地质预报（TRT、地质雷达、红外探水）异常点段落在 RDK0＋205～RDK0＋165、RDK0＋153～RDK0＋095 基本一致。在工程实际中，根据洞内、 地表综合超前地质预报结果，在 RDK0＋107～RDK0＋067段采用了地表注浆和洞内中管棚加固处理措施，因此后续段落洞内地质雷达和红外探水探测结果反映的是完成加固处理的地质情况。

（2）两种洞内超前地质预报 SSP 和地表地质雷达扫描探测的异常点结果基本一致。

（3）洞内探测结果与地表探测结果差距较大，其原因主要是洞内探测异常点界面主要为垂直于隧道轴线方向，地表探测异常点界面大多与地表平行。

（4）各种方法对于异常点的具体位置描述还是存在较大差异。根据超前钻探及后期揭露显示，长距离能先一步预测异常点段落，短距离能更为准确地定位异常点位置。地表 SSP 探测方法能够从地表准确地探测出地层分布情况，地表地质雷达扫描探测深度有限。

（5）比对施工前、施工中、施工后的地表探测结果，可以发现，局部段落在施工中和施工后会新增异常点，其主要原因是施工中可能会造成不良地质段边界条件不断改变，比如洞内出现成股水持续流出或水土流失等异常情况，在一定周期后反映到地表形成空洞、空腔。

3 结 语

（1）建议在制定综合超前地质预报方案前，依据前期勘察结果和设计阶段资料，大致判断岩溶地区溶蚀发育和不良地质体等分布情况，同时结合隧道埋深、地质情况等，与各种超前地质预报方法特点进行比对分析，为制定不良地质处理方案建立参考依据。

（2）建议在复杂周边环境和不良地质段的施工中，定期进行地表空洞探测，完工后再次进行空洞探测，以减少后期运营期间的安全风险。

（3）超前地质预报方案不仅要考虑施工对于周边土体的影响，而且还要考虑一些外部环境的影响。例如，雨污水管若出现渗漏状态会加剧不良地质对隧道施工的影响，易造成其周边土体流失而引起地表空洞或塌陷，因而对于雨污水管状态的排摸应作为施工前、施工中、施工后对周边环境调查与保护的工作重点之一，必要时还可以纳入超前地质预报综合方案中。