TSP与水平地质钻在岩溶隧道超前地质预报中的应用

卢妙丹，周 立

（1、贵州宏信创达工程检测咨询有限公司 贵阳 550016；2、贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081）

0 引言

石灰岩是地壳中分布最广的矿产之一。溶洞是可溶性岩石中因喀斯特作用所形成的地下空间，溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果［1］。岩溶区隧道主要的不良地质为富水型岩溶管道、充填型溶洞、岩溶空腔等。岩溶是影响山区隧道建设最重要的因素，岩溶处治严重制约着隧道施工工期、施工质量、工程造价并对施工人员的安全构成巨大威胁［2］。如何精准判断隧道掌子面前方是否存在溶洞等不良地质，对岩溶地区隧道施工非常重要。通过超前地质预报，可以及时掌握和反馈掌子面前方隧道地质条件信息，可提前调整和优化隧道设计参数、防护措施，为优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案、控制工程变更提供依据。精准的隧道超前地质预报工作，可以为各类突发地质灾害发生提供预警，以便提前采取积极措施，降低地质灾害发生的概率，实现隧道工程安全、质量、工期、环境和投资控制目标，将直接或间接地创造巨大的经济效益和社会效益。

隧道超前地质预报一般以地质调查法为基础，针对不同地段地质条件和预报目的，进行必要的技术经济比选，选择有针对性、适用性强、经济合理的方法和设备，采用一种或几种方法的合理组合，达到预报准确、费用低、占用掌子面时间短的目标。目前隧道施工地质超前预报的主要方法有地质调查、地质素描、弹性波发射法（TSP，TGP，HSP）［3］、地质雷达、红外线探水、超前地质探孔及其他综合地质超前预报方法。

本文以某岩溶区隧道溶洞探测方案为依托，首先采用弹性波发射法（TSP）对掌子面前方不良地质的进行探测，查明了前方不良地质的分布范围与分布特征，然后采用超前水平钻探技术对地质异常带进行验证与修正，取得良好的探测效果，并根据预报结果提出相应的处治方案，确保了隧道施工的安全。

1 工程概况

隧道为分离式长隧道，左幅隧道长2 663 m，最大埋深约332 m，右幅隧道长2 672 m，最大埋深约343 m。隧址区地处云贵高原向桂西北丘陵过渡的斜坡地带，整个地势由东北向西南方向倾斜，境内高山连绵起伏，峰峦重迭，属溶蚀-侵蚀地貌单元。场区位于广西山字型构造，受山字型构造和华夏构造控制。构造条件比较复杂，地质构造方向为北西向，但因构造部位不同，构造方向有所变化。东部及东南部为北西向、北西西向，局部近东西向；西部和北部为北、北西向，褶皱、断裂表现强烈。根据钻探、物探及工程地质测绘，隧道区地层主要由石炭系中统（C2）灰岩，石炭系上统（C3）灰岩，二叠系下统栖霞阶（P1q）灰岩夹页岩组成。

2 岩溶突泥发展情况

2021 年1 月5 日，隧道进口右洞YK37+877 上台阶在施工过程中发现3 个溶洞，2 个位于上台阶下部，左侧溶洞为半填充型，直径约2.0 m，深度斜向上延伸，右侧溶洞为无填充型，直径约1.5 m，顶部溶洞直径约0.3 m。2021 年1 月7 日，挖机排险时，拱顶有掉块现象，现场人员立即通知人员机械撤离，撤离后发生突泥约300 m3，如图1所示。

图1 突泥现场情况Fig.1 Mud Bursting Site

3 超前地质预报

3.1 TSP法探测

弹性波反射法是利用人工激发的地震波、声波在不均匀地质体中所产生的反射波特征来预报隧道开挖工作面前方地质情况的物探方法，包括地震波反射法、水平声波剖面法、负视速度法和陆地声呐法等［4］。

本项目使用地震波反射法（TSP），可适用于划分地层界限、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围等［5］。TSP 法探测是在隧道一侧的同一水平线上从里向外布置24个炮孔，炮孔间距2.0 m，炮孔高度约1.1 m。接收孔对称布置在隧道两侧，与最近炮孔距离一般为20.0 m。钻孔布置平面示意图如图2所示。

图2 TSP钻孔布置平面示意图Fig.2 Layout Plan of TSP Boreholes

本次检测采用TSP203+设备进行，其主要工作原理如下：TSP203超前地质预报系统的现场布置及测试过程由一系列炮点、2 个三维接收传感器（X、Y、Z方向）、接收机及数据处理系统组成，TSP203采用了回声测量的基本原理［6］。地震波在指定的震源点（通常在隧道的右边墙或左边墙，大约24个炮点布成1条直线）用小药量炸药激发产生［7］。地震波在围岩中以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性界面（即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带、岩溶空腔和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号折射进入前方介质［8］。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器统一接收［9］。反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比，故而能提供一种直接的测量。

本次在右幅YK37+750-YK37+920区段进行了TSP法预报，预报距离为170 m，现场探测如图3所示。通过对现场探测数据的分析处理，得出预报成果如图4所示。

图3 现场TSP探测Fig.3 On Site TSP Detection

图4 TSP预报成果Fig.4 TSP Forecast Results

根据以上TSP 法探测结果，右幅YK37+750-YK37+920 区段纵波波速与动态杨氏模量起伏较大，且反射界面局部出现强烈负反射，推测有岩溶发育。YK37+880-YK37+900 区段出现强烈负反射，推测为充填溶腔范围。

3.2 超前水平地质钻法探测

为减少占用掌子面作业时间、节约成本并保证预报的准确性，该项目采用不取芯水平冲击钻进行超前预报作业，超前探孔所用钻杆直径54 mm，钻头直径65 mm。掌子面YK37+875钻孔布置如图5所示。

图5 超前水平地质钻孔布置Fig.5 Layout of Advanced Horizontal Geological Drilling

根据现场钻探，1#钻孔上仰15°，钻孔深度18.4 m，8～12 m处钻进速度快，钻屑为粘土随施工用水从孔口和钻杆流出，推断为溶腔填充物，12～18.4 m 处钻进速度正常，钻屑为灰黑色颗粒，无溶洞。2#钻孔右偏20°，钻孔深度19.6 m，3～8 m处为岩溶空腔，8～19.6 m处钻进速度正常，钻屑为灰黑色颗粒，无溶洞。3#钻孔左偏20°，钻孔深度21.8 m，2～5 m 处为岩溶空腔5～16.5 m处钻进速度快，钻屑为粘土随施工用水从孔口和钻杆流出，推断为溶腔填充物，16.5～21.8 m处钻进速度正常，钻屑为灰黑色颗粒，无溶洞，钻孔现场照片如图6所示。

图6 1#孔黄色粘土钻屑流出Fig.6 Yellow Clay Cuttings Outflow from Hole 1

根据超前地质钻探结果对TSP探测结果进行验证。右幅YK37+878-YK37+891为岩溶空腔，且存在泥质填充物，YK37+891-YK37+900段岩体破碎，裂隙发育。

4 处治方案

根据TSP 探测结果，并结合超前水平地质钻，拟定如下方案：

⑴ 根据隧道右幅YK37+852-YK37+875 段初期支护监控量测数据，在保证安全的前提下，对YK37+862-YK37+875塌方体用洞渣回填反压，并采用20 cm厚C25喷射混凝土封闭塌方体。

⑵对YK37+873-YK37+877 段塌方体进行固结，采用4.5 m长φ42×4 mm钢花管进行注浆，固结松散体。

⑶钢花管固结完成后，在隧道洞内打设超前地质钻和φ108×6 mm 大管棚（如现场成孔困难建议采用跟管钻工艺），L=22 m，环向间距40 cm，管棚施工完成后，充分注浆固结开挖轮廓线周边及塌方段岩土体（注浆压力不小于1.2 MPa）［10］。

⑷根据YK37+852-YK37+875段初期支护监控量测数据，在拱顶下沉，周边收敛数据稳定，在保证安全的前提下，进行隧道主洞开挖。主洞下台阶开挖过程中应采用钎探等手段对隧道仰供下方（不小于5 m）进行探测，以免隧道底部存在空洞，主洞开挖过程中应加强地表塌方体、掌子面与初期支护的监控量测，如有异常及时撤出相关人员。

5 结论

通过该隧道溶洞探测与处治工程实例，得出如下结论：

⑴TSP 法探测能够基本明确不良地质体与隧道的相对空间位置关系，通过数据叠加，初步判定隧道前方不良地质体的空间位置及规模；

⑵采用超前水平钻，对TSP 法探测结果进行补充探测，进一步精确判断不良地质体的空间位置；

⑶采用TSP+超前水平地质钻的超前地质预报方法，对掌子面前方不良地质进行了定性与定量的探测，解决了“如何精准判断隧道掌子面前方是否存在不良地质”这一关键问题，为隧道处治方案提供了强有力的数据支撑。