綜合超前地質(zhì)預(yù)報法在巖溶地區(qū)隧道施工中的應(yīng)用

徐 麗 平

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471000)

綜合超前地質(zhì)預(yù)報法在巖溶地區(qū)隧道施工中的應(yīng)用

徐 麗 平

(中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471000)

以貴廣鐵路復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下隧道的超前地質(zhì)預(yù)報工作為例，闡述了地質(zhì)預(yù)報工作的方法、流程和經(jīng)驗，方便地質(zhì)預(yù)報工作作為隧道施工的關(guān)鍵工序順利開展，同時為隧道施工提供安全保障。

隧道施工，超前地質(zhì)預(yù)報，巖溶地區(qū)

0 引言

改革開放以來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，交通更是先行。目前，國家每年投資大量資金推動高鐵、高速公路等交通骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，極大的改善了交通條件。隧道建設(shè)作為土建施工中的重要一環(huán)，在交通建設(shè)中的地位越來越突出，隧道長度及跨度越來越大，遇到的地質(zhì)情況也越來越復(fù)雜。在隧道施工中，由于地質(zhì)情況的突然變化，如斷層、煤層、破碎帶、溶洞、暗河等的突然出現(xiàn)，不僅嚴重影響工程的建設(shè)速度，甚至?xí)斐墒鹿?，如塌方、涌水突泥、瓦斯突出等。所有的土建工程設(shè)計階段的勘察成果，由于自然環(huán)境和技術(shù)條件所限，其詳細程度和準確度難以滿足施工的要求，隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報作為地質(zhì)勘查在施工階段的延伸就顯得尤其必要。隧道超前地質(zhì)預(yù)報是一門系統(tǒng)的科學(xué)，做好這項工作不僅要有全面的地質(zhì)、物探理論功底，還要有豐富的現(xiàn)場工作經(jīng)驗。篇幅所限，本文并沒有把地質(zhì)預(yù)報的每個環(huán)節(jié)展開論述，而是以貴廣鐵路復(fù)雜地質(zhì)預(yù)報項目為依托，闡明了地質(zhì)預(yù)報工作的主要方法、流程和一些經(jīng)實踐檢驗的經(jīng)驗，以供大家參考。

1 工程概況

新建貴陽至廣州鐵路，穿越中國西南喀斯特發(fā)育最強烈地區(qū)，其中土建1標即貴陽至都勻段位于黔南山區(qū)，線路橋隧比78.1%，共有隧道16座，累計總長49.1 km，最高點海拔1 762.5 m，地形起伏大，相對高差350 m～750 m，山高坡陡，峽谷深切，山勢雄偉，峰巒疊嶂，多險峻的懸崖峭壁，貴廣線路位于可溶巖巖溶發(fā)育和較發(fā)育區(qū)，巖溶發(fā)育程度中等～強烈，施工中除可能遇到斷層破碎帶、溶蝕破碎帶、煤層現(xiàn)象外，還可能遭遇不同程度的溶洞、暗河等巖溶突水、突泥災(zāi)害，不可預(yù)見性較強；其中平寨、太陽莊、油竹山和斗篷山等隧道遇災(zāi)害性突水、突泥的風(fēng)險性大，屬于一級高風(fēng)險隧道，是貴廣全線高風(fēng)險隧道最多的標段。該標段的超前地質(zhì)預(yù)報工作中，所采用的預(yù)報方式、方法基本涵蓋了現(xiàn)有預(yù)報技術(shù)的所有常規(guī)手段。

2 常用的超前地質(zhì)預(yù)報方法

2.1 工程地質(zhì)調(diào)查法

工程地質(zhì)調(diào)查法是隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報的最基本的手段，是開展其他預(yù)報手段的前提和基礎(chǔ)工作。主要是根據(jù)工程場區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料、已有勘察成果資料、隧道已開挖段或超前導(dǎo)坑揭示的地質(zhì)資料，通過地質(zhì)理論分析及赤平極射投影法作圖推測隧道掌子面前方的地質(zhì)情況的一種方法。通常是要求具有地層學(xué)、地質(zhì)構(gòu)造學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)等地質(zhì)學(xué)科基礎(chǔ)的有經(jīng)驗的工程師開展此項工作，輔助工具主要有羅盤、手電、地質(zhì)錘、數(shù)碼相機等。

2.2 TSP探測法

TSP探測法屬于地震波法的一種，是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧道掌子面前方及周圍臨近區(qū)域地質(zhì)狀況的，屬于多波多分量高分辨率地震反射法(如圖1所示)。隧道現(xiàn)場需要在左或右邊墻上施作24個間距1.5 m深度1.5 m的震源孔，2個接收器孔在隧道左右邊墻上對稱布置，深度2 m。每次測試需要消耗瞬發(fā)電雷管24枚，乳化炸藥3 kg左右，參與測試人員至少兩人，一名為經(jīng)培訓(xùn)合格的TSP系統(tǒng)操作人員，另外一名為具有爆破資格證的熟練工人。由于TSP測試需要的26個鉆孔在隧道邊墻上的位置及深度都有準確要求，貴廣預(yù)報項目部的做法是至少提前24 h對工區(qū)進行TSP測試準備工作技術(shù)交底，鉆孔施作的好與壞對采取數(shù)據(jù)的質(zhì)量及后期數(shù)據(jù)處理的精度都有直接影響。貴廣超前地質(zhì)預(yù)報項目1標段采用的是TSP203型探測儀，在經(jīng)過幾百次的探測與實際開挖情況對比，總結(jié)其有如下特點：

1)不計TSP測試炮孔、接收器孔的準備時間，現(xiàn)場連接觀測系統(tǒng)，進行24孔逐點引爆采集數(shù)據(jù)的時間平均為2 h～3 h，在此期間，施工現(xiàn)場要停止一切有聲響的工作，防止對信號采集的干擾；

2)單次測試探測距離遠，在隧道圍巖較完整情況下預(yù)報有效距離可以達到200余米，綜合預(yù)報的準確率和功效，一般正式探測報告均取120 m的有效預(yù)報距離，循環(huán)搭接長度以不小于20 m為宜；

3)探測對于隧道掌子面前方斷層破碎帶、節(jié)理密集破碎帶、巖性差異大的界面，如軟弱夾層、煤層，基本有明顯的波形反映，對基巖裂隙水出水點反映效果不是特別明顯，對各種邊界不規(guī)則的溶腔、溶洞體以及充填情況預(yù)報效果較差，TSP203觀測系統(tǒng)的信號采集原理主要是針對面狀結(jié)構(gòu)體有直接關(guān)系。

2.3 探地雷達法

探地雷達法也稱電磁波法，是一種用于探測地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。簡而言之，這種方法是利用所有不同的巖性地質(zhì)體介電常數(shù)都是不相同的，即便是相同巖性地質(zhì)體由于節(jié)理、地下水發(fā)育情況的不同其介電常數(shù)也不同的基本理論，可以得到掌子面前方15 m～25 m范圍內(nèi)的電磁反射波普圖，經(jīng)過解譯推測前方工程地質(zhì)情況的一種方法(見圖2，圖3)。貴廣鐵路超前地質(zhì)預(yù)報項目1標段，由于隧道洞身巖性主要為白云巖、灰?guī)r等可溶巖，探地雷達作為預(yù)報各種溶蝕不良地質(zhì)體的主要手段得到廣泛的應(yīng)用。采用的美國SIR-20雷達主機，配100 MHz屏蔽天線設(shè)備，經(jīng)過上千次的預(yù)報與實際開挖對比，總結(jié)其有如下特點：

1)一般在掌子面上采用“十”字形布置雙測線(特殊情況下采用“井”字形四測線布置，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)占用施工時間短，平均時間15 min一條測線，一般兩條測線的采集時間在25 min內(nèi)，需要人員3人～4人；

2)對于隧道掌子面前方開挖界限內(nèi)溶蝕破碎帶、巖溶管道、溶洞、暗河探測都有明顯的反射信號，特別是充水的情況下，信號差異強烈，易識別；

3)其缺點是預(yù)報距離短，一般20 m左右，遇到圍巖破碎的情況下，甚至只有15 m左右。

2.4 超前水平鉆孔法

超前水平鉆孔法是利用鉆機在隧道掌子面上按設(shè)計參數(shù)進行鉆探獲取地質(zhì)信息的一種超前預(yù)報方法，根據(jù)不同的情況如探測斷層破碎帶、巖溶、煤層瓦斯、重大物探異常，可以選擇取芯鉆或者沖擊鉆方式。一般情況下，超前水平鉆孔，其孔位皆為均勻分布在掌子面上，但對于黔南巖溶發(fā)育地區(qū)，考慮到巖溶形態(tài)的多變性、復(fù)雜性，很難說打多少孔能夠探明情況。貴廣鐵路超前地質(zhì)預(yù)報項目1標在超前水平鉆孔布置參數(shù)設(shè)計上與雷達探測結(jié)果結(jié)合起來，有針對性的設(shè)計鉆孔位置、孔口角度，可以達到事半功倍的效果。如雷達探測表明前方溶蝕區(qū)主要分布在隧道掌子面左側(cè)，可以把鉆孔集中到左側(cè)區(qū)域布置，提高探孔效率，以便探清溶腔體發(fā)育的形態(tài)、延伸方向、充填物性質(zhì)等要素，為制定施工措施提供依據(jù)。需要強調(diào)的是，在超前水平鉆孔施作期間，必須要有有經(jīng)驗的預(yù)報技術(shù)人員現(xiàn)場確認鉆孔布置并全程跟蹤鉆進過程，記錄鉆進過程，通過沖洗液的變化、鉆進的速率、出水量的大小研判地質(zhì)情況，并最終形成詳盡的超前水平鉆孔報告。目前，隧道施工都采用機械化配套作業(yè)，超前水平鉆探基本都采用自行式履帶鉆機，具有扭矩大、鉆進速度快、取芯完整、對施工影響小、角度靈活的特點，可以適應(yīng)各種地質(zhì)巖層的快速鉆進，常見的有日本礦研RPD-150C、意大利卡薩格蘭特C6鉆機、北京探礦機械廠生產(chǎn)的DDL-300型鉆機。

2.5 加深炮孔

加深炮孔是指在采用鉆爆法施工的隧道中，在隧道開挖爆破周邊眼的施作中選取3個～5個鉆孔，加深至爆破深度外2 m～3 m的方法。該方法的特點是施行簡單、不單獨占用施工時間，準確度較高。貴廣超前地質(zhì)預(yù)報項目經(jīng)過實際運作，為提高工作效率，把鉆孔操作可能遇到的情況簡化為表格形式，由一線工人通過勾選的方式記錄加深炮孔情況。

3 常用的超前地質(zhì)預(yù)報方案的主要內(nèi)容

3.1 巖溶及巖溶突水預(yù)報方案

利用地表調(diào)查，結(jié)合隧道洞內(nèi)開挖段素描手段及勘察階段物探成果中的異常區(qū)分布情況，推測隧道可溶巖發(fā)育的大致里程，再通過TSP203地震波法、地質(zhì)雷達法長、短距離相結(jié)合的探測對巖溶及地下水發(fā)育的位置、規(guī)模及性質(zhì)作較為詳細的預(yù)報，如綜合預(yù)報結(jié)論掌子面前方50 m范圍內(nèi)可能有巖溶、突泥涌水不良地質(zhì)體，則應(yīng)布置3個～5個超前水平鉆孔進行鉆孔驗證，鉆孔時需安設(shè)孔口管及高壓閘閥，當遇有高壓水時，要立即拔出鉆具，關(guān)閉孔口管的高壓閥門，等待制定處理措施。對巖溶強烈發(fā)育地段可增加鉆孔的數(shù)量及采用地質(zhì)雷達探測，并對開挖后的隧道底板用地質(zhì)雷達進行隧底巖溶檢測。

3.2 煤層瓦斯預(yù)報方案

首先仔細分析前期地質(zhì)勘察資料，分析含煤地層發(fā)育里程段，通過隧道開挖過程中的地質(zhì)素描與勘察對比，大致確定隧道揭露煤系地層的里程，為確保安全，一般是在煤層可能出現(xiàn)里程位置處提前200 m左右開始準備揭煤的預(yù)報工作。依靠TSP203系統(tǒng)的探測，煤層在工程地質(zhì)上表現(xiàn)出的性質(zhì)類似于軟弱泥巖夾層性質(zhì)，對于軟弱夾層該系統(tǒng)通過波速、楊氏模量等指標的變化，會有明顯反映。此時的解釋就要推斷為疑是煤層位置，要通過單孔超前水平鉆孔方法確認是否為煤層及其準確位置與層厚。需要注意的是水平鉆孔采用取芯鉆，全程需采用水循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆，同時孔口要進行瓦斯監(jiān)測，防止引起火災(zāi)或爆炸。

3.3 斷層破碎帶預(yù)報方案

首先利用地質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)素描手段，推測勘察階段發(fā)現(xiàn)的寬大斷層在隧道中出現(xiàn)的大致里程，此外，由于地殼中許多斷層并未延伸至地表或被覆蓋層所覆蓋，所以隧道在開挖過程中所揭露的斷層往往多于地表所發(fā)現(xiàn)的數(shù)量，采用TSP203和地質(zhì)雷達進行預(yù)報，探測掌子面前方圍巖的強度、完整性、富水性，然后根據(jù)掌子面素描觀察隧道圍巖的變化，統(tǒng)計節(jié)理組數(shù)及其形態(tài)的變化，推測前方可能出現(xiàn)斷層的位置，對可能出現(xiàn)高壓富水斷層的地段進行單孔水平鉆驗證，鉆孔時需安設(shè)孔口管及高壓閘閥，當遇有高壓水時，要立即拔出鉆具，關(guān)閉孔口管的高壓閥門，等待制定處理措施。

4 取得的效果

在施工方切實把超前地質(zhì)預(yù)報工作作為一道重要的施工工序進行管理，與預(yù)報人員密切配合的情況下，貴廣鐵路超前地質(zhì)預(yù)報1標，采用地質(zhì)調(diào)查法、TSP探測法、探地雷達探測法、超前水平鉆孔、加深炮孔等手段，在嚴格執(zhí)行行業(yè)規(guī)范和項目超前地質(zhì)預(yù)報施組的前提下，對超前預(yù)報信息經(jīng)綜合分析，相互驗證，對隧道掌子面前方不良地質(zhì)體進行準確定位，有效地預(yù)報了隧道巖溶突泥涌水帶、斷層破碎帶、軟弱夾層等不良地質(zhì)情況，開工以來，先后共準確預(yù)報巖溶溶腔體53處(見圖4)，斷層破碎帶19處及其他不良地質(zhì)體多處，協(xié)助施工單位共同研究制定了切實可行的技術(shù)方案，提前采取對策和措施使隧道施工多次有效規(guī)避了工程施工安全風(fēng)險。

5 結(jié)語

1)準確預(yù)報隧道掌子面前方是否存在重大、突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)情況條件，以便提早采取工程措施，做到防災(zāi)減災(zāi)是地質(zhì)超前預(yù)報應(yīng)達到的目標之一。要實現(xiàn)這個目標，它需要超前地質(zhì)預(yù)報工作者必須充分了解地質(zhì)背景條件下借助物探手段，通過不斷的對比預(yù)報與實際開挖情況，并進行總結(jié)，提高預(yù)報準確率。目前超前地質(zhì)預(yù)報設(shè)計中主要物探手段為地震波、電磁波兩種，都有其使用的盲區(qū)或局限性，而且有些是共性，成為我們?nèi)轿活A(yù)報出掌子面前方潛在的地質(zhì)災(zāi)害的最大障礙。

2)參建各方人員的技術(shù)溝通是搞好地質(zhì)超前預(yù)報工作的基礎(chǔ)。預(yù)報人員如果僅是按時遞交工點地質(zhì)預(yù)報報告給其負責(zé)人，技術(shù)交流有限。目前隧道超前地質(zhì)預(yù)報實踐中所用的新儀器基本都是基于地球物理理論的儀器，它提供的是相關(guān)的地球物理信息，對該地球物理信息的解釋需要物探工程師和地質(zhì)工程師聯(lián)合作業(yè)，把地球物理語言變成地質(zhì)語言。但在施工單位，地質(zhì)工程師的配置并不常見，這就出現(xiàn)了施工工程師看不懂或者是不能完全理解地質(zhì)預(yù)報報告。

3)超前地質(zhì)預(yù)報工作中的鉆探方法其結(jié)果既直觀也準確。超前地質(zhì)預(yù)報工作使用的理論與方法，包括地質(zhì)理論方法、地球物理方法、鉆探方法。地質(zhì)理論方法是基礎(chǔ)，是一切后序預(yù)報方法的前提；地球物理方法是以地質(zhì)方法為基礎(chǔ)，地球物理方法可在量上修正地質(zhì)理論方法的結(jié)果；鉆探方法是在地質(zhì)理論方法和地球物理方法結(jié)果基礎(chǔ)上進行的，它一般可準確的修正，甚至是推翻地質(zhì)理論方法和地球物理方法的結(jié)果，但具體操作中消耗的人力、物力較大，特別是會占用大量的施工時間而常常被拒之門外，但它的結(jié)果更直觀更準確是毋容置疑的。

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The application of the comprehensive advance geological prediction in tunnel construction in karst area

Xu Liping

(ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd,Luoyang471000,China)

Taking the advanced tunnel geological prediction of Gui-Guang railway under complicated karst conditions as an example, the paper describes illustrates geological prediction methods, procedures and experience, which will be some help for critical tunnel construction and guarantee tunnel construction safety as well.

tunnel construction, advanced geological prediction, karst area

1009-6825(2015)07-0187-03

2014-12-24

徐麗平(1976- )，女，工程師

U456

A