岩溶隧道超前地质预报综合预报技术的应用效果分析

尹雪波

岩溶隧道超前地质预报综合预报技术的应用效果分析

尹雪波

（四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610000）

复杂岩溶隧道在施工中存在突水、突泥、塌方、隧道变形等工程灾害风险；运营存在隧道变形、漏水等风险。预报掌子面前方地质情况，可降低地质灾害发生和危害程度，为正确选择开挖方法、支护措施，优化工程设计及施工方案提供地质依据。通过某复杂岩溶道采用地质调查、地震波反射法、地质雷达法、超前钻孔（含加深炮孔）等综合方法开展超前预报，较准确预报掌子面前方地质情况，对类似工程具有借鉴意义。

岩溶隧道；地质灾害；超前地质预报；综合预报

中国幅员辽阔地质情况复杂，在修建铁路、公路隧道时常遇穿过岩溶发育的碳酸盐岩地区。因岩溶突水、突泥、塌方等工程地质灾害导致的特大事故比比皆是，造成了人员伤亡、财产损失、延误工期、甚至对线路运营造成影响。设计阶段，受地形条件、岩溶发育复杂多变且规律性不强、地面勘探精度较低等因素影响，对岩溶的探测难度较大。因此，隧道施工过程中采用超前地质预报探测隧道开挖面前方的岩溶发育情况，提前采取防范措施，优化工程设计及施工方案，尤为重要。隧道超前地质预报方法主要有地质调查、物探、钻探、超前导坑等4种方法，每种预报方法有自己的优点和缺点。很多隧道的超前地质预报设计方法单一，预报效果不理想。为提高预报的准确性，取长补短采用多种方法相互组合的综合预报模式（地质调查、物探（地震波反射、地质雷达）、钻探（含加深炮孔））探测某复杂岩溶隧道开挖面前方的岩溶发育情况，取得了较好的效果。

1 综合超前地质预报组合模式

1.1 地质调查法

地质调查法具有以下特点：

（1）不占用工作面施工时间、不干扰施工、设备简单、操作方便、提交资料及时，可随时掌握隧道开挖工作面的地层、岩性、地质构造、地下水等地质条件的变化，是隧道施工过程中的地质工作，是隧道工程全过程地质工作的重要一环，是隧道超前地质预报的基础工作。

（2）这种方法对与隧道交角较大而又向前倾的结构面、特殊岩溶(溶洞的发育具有突变性)容易产生漏报。

1.2 物探法

隧道超前物探法地质预报主要有地震波反射法、电磁波反射法（地质雷达法）。

图1 DK622+111掌子面照片

1.2.1 地震波反射法

地震波反射法是利用人工激发地震波在不均匀地质体产生反射波的特性来预报隧道开挖工作面前方地质情况的物探方法。适用于划分地层界限、查找地质构造、探测不良地质体厚度和范围。

1.2.2 电磁波反射法

电磁波反射法是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体内的传播速度和反射脉冲波走时进行超前地质预报的物探方法。主要用于岩溶、断层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体探测。

1.2.3 物探法特点

物探法设备轻便、施测快捷、预报结果提供及时、费用低（相对超前钻探而言）。但各种物探方法需具备一定应用条件并且物探结果具有多解性。

1.3 超前地质钻探法

1.3.1 超前水平钻

适用于各种地质条件下隧道超前地质预报，富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段必须采用。分为取芯和不取芯两种：一般情况下采用不取芯，复杂地段取芯。连续钻探时，每循环钻30～50m，前后两循环应重叠5～8m。富水岩溶发育区超前钻孔应终孔于隧道开挖轮廓线外5～8m。钻探中应做好记录：钻孔位置、开孔终孔时间、孔深、钻进压力、钻进速度随深度变化、冲洗液颜色和流量、涌砂、空洞、振动、卡钻位置、突进里程、冲击声音变化等。

1.3.2 加深炮孔

加深炮孔探测是利用风钻或凿岩台车等在隧道开挖工作面钻较炮孔深3m以上小孔径浅孔获取地质信息的方法。

1.3.3 超前地质钻探法特点

钻探法成果直观、准确，可探测隧道周边岩溶发育情况，但成本高、耗时长(对工期影响较大)；“一孔之见”容易产生漏报。

1.4 综合预报组合模式

综合预报采用地质调查为基础，物探先行，钻探验证的组合模式进行预报。其中物探采用长距离预报（地震波反射法）和短距离预报（地质雷达法）相结合综合物探方法。

2 综合预报实例

2.1 地质调查

隧道穿过灰岩夹白云质灰岩、盐溶角砾岩，岩层产状差异大，岩体较破碎。隧道地下水以岩溶水为主，位于岩溶水垂直渗流带。不良地质主要为岩溶、顺层及顺层偏压、松软土。隧道岩溶强烈发育，施工遇岩溶管道、大型岩溶及溶腔可能性大，突水涌水风险高。

图2 TSP成果图

图3 地质雷达成果图图1 浙江省磐图1 安县冷水萤石矿区地质简图

DK622+111掌子面（图1）围岩主要为灰岩夹白云质灰岩，围岩破碎，岩质较硬，节理裂隙发育，存在不同岩性互层和夹黄泥夹碎石等现象，围岩自稳能力较差。推测前方有存在溶洞可能。

2.2 物探法预报

分析地震波反射法成果图（图2），推测DK622+124～+163段（图2红色虚线圈出位置）围岩破碎，岩质较硬，节理裂隙发育，岩溶强烈发育，存在不同岩性互层和夹黄泥等，含水（呈滴水状-线状）；推测DK622+124～+163段围岩存在泥质半充填型溶洞。

地质雷达成果图（图3）显示掌子面前方6～30m深度范围（里程DK622+117～+141段），电磁波反射波能量衰减异常，波形畸变，同相轴连续较差。结合掌子面地质情况、设计资料、地震波反射法资料综合分析，推测DK622+117～+141段围岩破碎，岩质较硬，节理裂隙发育，岩溶强烈发育，存在不同岩性互层和夹泥等，局部含水（呈渗水状～滴水状）。推测DK622+117～+141段围岩存在泥质半充填型溶洞（图3中红色虚线圈出位置），溶洞往大里程方向逐渐扩大。

综合地质调查、地震波反射和地质雷达预报成果，推测DK622+117～+163段围岩存在泥质半充填型溶洞，建议采用超前钻孔和加深炮孔验证物探异常。

图4 超前钻孔工作布置图

2.3 超前钻孔预报

在DK622+111开挖面布置了5个超前钻孔（图4），钻孔孔深25m（DK622+111～+136段），不取芯。钻探成果显示，2#孔（开挖面左上部）和4#孔（开挖面左下部）分别在DK622+131～+136段和DK622+129～+136段钻进速度明显增快，钻遇溶洞充填物（图5、6）。

图5 2#钻孔柱状图

图6 4#钻孔柱状图

2.4 综合预报

综合DK622+111～+136段地质调查法、地震波反射法、地质雷达法、超前地质钻探法等预报成果，得出综合结论如下：

DK622+111～+129段围岩为灰岩夹白云质灰岩，围岩破碎，岩质较硬，节理裂隙较发育，存在不同岩性的互层和夹泥等现象，设计围岩级别为Ⅳ级，预报围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级。

DK622+129～+136段围岩为灰岩夹白云质灰岩，围岩破碎，岩质较硬，节理裂隙发育，岩溶强烈发育，存在不同岩性互层和夹泥等现象。推断DK622+129～+136段隧道左部围岩存在泥质半充填型溶洞。DK622+129～+136段设计围岩级别为Ⅳ级，预报围岩级别为Ⅴ级。

2.5 开挖验证情况

DK622+111～+136段综合预报地质情况与开挖揭示吻合，隧道施工至DK622+129处，左部揭示泥质充填型溶洞（图7），该溶洞往大里程方向逐渐扩大，延伸至DK622+136处为泥质半充填型，溶洞占掌子面1/2，左下部充填大量黄泥、碎石，左上部为空腔，溶洞一直延伸到DK622+172。

图7 开挖揭示溶洞

3 结语

（1）以地质调查为基础、物探先行，钻探验证的综合超前地质预报组合模式在可溶岩地区复杂条件隧道开展超前地质预报工作较为准确，组合模式对类似工程具有借鉴意义。

（2）长距离预报（地震波反射法）和短距离预报（地质雷达法）相结合的综合物探方法相互印证，有利于提高预报准确率。

（3）岩溶隧道，开挖轮廓线四周应布置加深炮孔对开挖轮廓线外一定范围岩溶发育情况进行探测，以降低开挖中地质灾害发生几率，又可作为洞周岩溶探测辅助，降低运营期间地质灾害发生风险。

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The Application Effect of Integrated Advanced Geological Prediction Technology of Karst Tunnel

YIN Xue-bo

(Sichuan Zhongcheng Coalfield Geophysical Prospecting Engineering Institute Co., Ltd., Chengdu, 610072)

There are disasters and risks such as water inrush, mud inrush, landslide, tunnel deformation and so on in the construction of complex karst tunnel. Predicting the geological conditions in front of the tunnel face can reduce the occurrence and damage degree of geohazards which may provide geological basis for correct selection of excavation method and support measure, the optimizing engineering design and construction plan. In the construction of a complex karst tunnel, the advance prediction of geological conditions in front of the tunnel face is carried out by the use of geological survey, seismic reflection method, ground penetrating radar (GPR) method and advanced drilling (including deep hole) method.

karst tunnel; geohazard; advanced geological prediction;

U455.7

A

1006-0995（2022）02-0313-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.025

2021-07-21

尹雪波（1986— ），男，四川珙县人，工程师，主要从事超前地质预报和地面电法研究