巖溶隧道施工中綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用分析

陽書燕

目前，我國的巖溶隧道工程逐漸增多，巖溶隧道工程主要處于一些巖溶地區(qū)，這些地區(qū)工程地質(zhì)條件主要為富水、巖溶或者斷層破碎的地帶，在施工過程中為了防止隧道出現(xiàn)塌方、突水突泥等一系列災(zāi)害，必須加強(qiáng)采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法來進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，只有合理應(yīng)用地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，準(zhǔn)確了解巖溶隧道的地質(zhì)情況，才能使巖溶隧道施工順利進(jìn)行。本文主要以向家包二號(hào)隧道工程為例，對(duì)巖溶隧道施工中綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用進(jìn)行了深入分析，以期能夠和設(shè)計(jì)資料進(jìn)行相互印證。

近幾年以來，我國為了促進(jìn)各個(gè)地區(qū)密切展開貿(mào)易活動(dòng)，正在投入大量的資金建設(shè)高速公路或高鐵項(xiàng)目，以期能夠構(gòu)建完整的交通運(yùn)營體系。在交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，隧道施工作為至關(guān)重要的組成部分，許多山區(qū)的交通線路建設(shè)必須開鑿隧道，而隧道的長度以及跨度也在不斷增長，其逐漸面臨各種復(fù)雜、險(xiǎn)峻的地質(zhì)條件，在隧道施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些巖溶地帶、破碎帶、暗河以及斷層，這也導(dǎo)致隧道施工中容易發(fā)生塌方、涌水突泥等安全事故。在巖溶隧道工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確、詳細(xì)勘察，只有做好巖溶隧道的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)勘查工作，才能為工程設(shè)計(jì)提供充足的參考依據(jù)，使隧道設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)順利完成。筆者通過結(jié)合向家包二號(hào)隧道工程施工的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)施工過程中的幾種常用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了全面分析，以期能夠起到參考作用。

一、工程線路概況

向家包二號(hào)隧道地址位于湖南省永順縣毛壩鄉(xiāng)龍家界北側(cè)，穿越龍家界山崗。隧道工程區(qū)位于中低山地區(qū)，高程460～870m，相對(duì)高差200～400m。而且隧道的洞身全部處于可溶巖巖體之中，這種地貌被稱作巖溶壟崗地貌，在隧道的兩側(cè)有溝谷坡地，中間則屬于壟崗地帶。整個(gè)隧道的起訖里程為DK136+997～DK138+871，隧道總長度為1874m，雙線隧道最大埋深355m。DK136+997～DK137+648.643位于直線段上，其它的均屬于R=6000的曲線上，而且洞身為-16‰的單面下坡。

通過對(duì)隧道洞身的地質(zhì)條件進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其主要處于巖溶水垂直徑流帶，在巖溶裂隙溶洞具有豐富的水量，所以導(dǎo)致巖溶發(fā)育比較強(qiáng)烈。而且在隧道所處的地貌上整體呈現(xiàn)籠崗狀、狹長狀NE方向進(jìn)行延伸，長度大約為10km，寬度大約為1km，高程為6500～879m，所以存在比較突出的地表溶蝕地貌，各種小型溶丘與巖溶洼地相間，大型溶洞，落水洞，巖溶漏斗星羅棋布。所以在進(jìn)行巖溶隧道施工時(shí)，將會(huì)受到巖溶管道和巖溶含水體的影響，從而出現(xiàn)突發(fā)性涌水、突泥問題，必須充分運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，對(duì)巖溶段落巖溶的具體情況進(jìn)行超前探測(cè)，只有結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，才能對(duì)巖溶情況有一個(gè)清晰的了解，從而制定科學(xué)、合理的施工方案。在這一標(biāo)段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，主要應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)、TSP、超前水平鉆孔以及超前探孔等幾種主要方法。

二、綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用

在本次巖溶隧道工程施工中，所采用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，主要以地質(zhì)調(diào)查法作為主要基礎(chǔ)，并且結(jié)合運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)、TSP、超前水平鉆孔以及超前探孔等多種方法，從而對(duì)地質(zhì)地貌有一個(gè)全面的了解。

1.地質(zhì)調(diào)查法

在巖溶隧道施工中應(yīng)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，首先需要合理應(yīng)用地質(zhì)調(diào)查法，對(duì)巖溶隧道工程地帶的實(shí)際情況有一個(gè)基本的了解，才能合理選用其它的預(yù)報(bào)方法來進(jìn)行勘查。在工程地質(zhì)調(diào)查過程中，主要結(jié)合檔期已經(jīng)掌握的地質(zhì)資料、勘察資料以及已經(jīng)開挖出來的地段顯示的資料，然后運(yùn)用赤平極射投影法，并結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)理論來進(jìn)行推測(cè)分析，才能全面掌握巖溶隧道工程的地質(zhì)情況。

2.地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法作為綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中應(yīng)用比較普遍的方法，其也叫做地磁波法，其主要通過發(fā)射天線和天線接受組來組成探測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用天線發(fā)射的廣譜電磁波來對(duì)地下介質(zhì)的基本情況進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)。由于各種巖性地質(zhì)體具有不一樣的介電常數(shù)，通過對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確了解巖性地質(zhì)體的地下水發(fā)育情況以及巖溶地貌，所以運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)來進(jìn)行探測(cè)，能夠把掌子面的電磁反射波普?qǐng)D清晰地繪制出來，通過解譯之后，能夠準(zhǔn)確得出工程地質(zhì)的基本情況。

由于向家包二號(hào)隧道工程存在比較突出的地表溶蝕地貌，各種小型溶丘與巖溶洼地相間，大型溶洞，落水洞，巖溶漏斗星羅棋布，所以利用探地雷達(dá)能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出巖溶隧道工程的溶蝕不良地質(zhì)情況。在本次預(yù)報(bào)探測(cè)過程中，主要采用美國SIR-20 雷達(dá)主機(jī)，而且在探測(cè)系統(tǒng)中配備了100 MHz的屏蔽天線，這樣能夠進(jìn)行多次預(yù)報(bào)，然后和實(shí)際開挖情況進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)比，避免出現(xiàn)失誤，一般在溶蝕破碎帶、巖溶管道、溶洞以及暗河地區(qū)進(jìn)行探測(cè)，能夠獲得非常強(qiáng)烈的反射信號(hào)，對(duì)于巖溶隧道中的水分進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。但是在進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，只能對(duì)20m左右的巖溶隧道進(jìn)行預(yù)報(bào)，甚至在一些圍巖破碎的環(huán)境下，只能預(yù)報(bào)15m的情況。如圖1中隧道上方和下前方會(huì)形成地震波反射，是因?yàn)閹r體中存在的巖性變化帶和構(gòu)造破碎帶，其介質(zhì)的密度和其傳播彈性波 的速度乘積，與正常巖體介質(zhì)的密度和傳播彈性波的速度乘積具有明顯的 差別，像玻璃的背后附有水銀會(huì)反光一樣。巖體介質(zhì)的密度和傳播彈性波 的速度乘積物理學(xué)中稱為“聲阻抗”，巖體中界面兩側(cè)介質(zhì)“聲阻抗”的 差異越大，其界面上反射地震波的能力越強(qiáng)，反之亦反。界面與隧道軸線交角不同，數(shù)據(jù)處理中提取的的反射波同相軸形態(tài)會(huì)表現(xiàn)出不同。

圖1 隧道地震預(yù)報(bào)原理圖

3.TSP 地震波反射探測(cè)法

當(dāng)前，在各種巖溶隧道施工過程中，TSP(tunnel seismic prediction) 地震波反射法也是比較常用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，其主要針對(duì)一些不均勻的地質(zhì)環(huán)境來進(jìn)行地震波反射探測(cè)。在具體的應(yīng)用過程中，首先通過人工的手段在隧道中開挖側(cè)壁，從而形成排列相對(duì)比較規(guī)則的一些微型震源，這樣才能使地震波充分激發(fā)出來，然后呈現(xiàn)球面擴(kuò)散的形式，使地震波能夠朝向巖溶隧道工程的圍巖周邊進(jìn)行擴(kuò)散傳播，并且運(yùn)用接收器終端對(duì)地震波進(jìn)行接受，時(shí)刻反饋不良地質(zhì)體的相關(guān)波形數(shù)據(jù)（筆者在圖2中進(jìn)行了展示）。通過對(duì)反饋的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，能夠詳細(xì)地觀察地震波向周邊的傳播速度、強(qiáng)度、延遲時(shí)間、波形以及傳播路徑，這樣能夠?qū)r溶隧道工程的圍巖地質(zhì)體進(jìn)行全面了解（具體的地震波數(shù)據(jù)采集方式如圖3所示）。針對(duì)某些特定的巖溶地區(qū)，如果在掌子面的前方中出現(xiàn)一些溶洞，這些溶洞呈現(xiàn)平面形狀，那么運(yùn)用TSP地震波反射探測(cè)的方法，就能夠探測(cè)出溶洞的詳細(xì)情況。但是在溶洞中出現(xiàn)許多不規(guī)則的形狀，也就是巖溶溶洞中的巖石具有各種不同的差異化特征，那么在運(yùn)用TSP地震波反射探測(cè)方法時(shí)，就會(huì)變得比較困難。所以，在不同巖溶性質(zhì)的隧道工程施工中，需要充分結(jié)合實(shí)際情況，合理選擇應(yīng)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，發(fā)揮TSP方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，才能獲得準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果。

圖2 TSP地震波反射探測(cè)法的應(yīng)用原理

圖3 TSP地震波數(shù)據(jù)采集原理圖

4.超前水平鉆孔法

在綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，通過運(yùn)用超前水平鉆孔法，也能夠準(zhǔn)確了解工程地質(zhì)情況，其主要通過鉆機(jī)在隧道的掌子面位置來進(jìn)行鉆探操作，并且結(jié)合相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)來執(zhí)行鉆探施工，筆者在圖4、5中把正道、輔助坑道超前水平鉆具體的布置方式進(jìn)行了展示，必須嚴(yán)格按照實(shí)際情況來采用科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方案，嚴(yán)格按照?qǐng)D6中的實(shí)施流程來進(jìn)行超前水平鉆孔施工，才能能使超前水平鉆孔施工達(dá)到良好的檢測(cè)效果。通常在一些探測(cè)斷層、破碎帶、巖溶隧道、煤層瓦斯以及存在重大異常的位置應(yīng)用超前水平鉆探的方法，其中主要應(yīng)用取芯鉆或沖擊鉆等兩種不同的方式。在巖溶隧道施工中運(yùn)用超前水平鉆孔的方法，需要在掌子面的位置進(jìn)行均勻布孔，對(duì)于鉆孔的位置和角度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，這樣才能使探孔工作質(zhì)量有效提高。同時(shí)，作為施工技術(shù)人員，需要對(duì)鉆孔工作進(jìn)行全程跟進(jìn)，及時(shí)進(jìn)行記錄，觀察鉆進(jìn)效率以及鉆孔的出水量，才能準(zhǔn)確地對(duì)工程地質(zhì)情況進(jìn)行判斷。通常應(yīng)用日本、意大利或北京地區(qū)生產(chǎn)的自行式履帶鉆機(jī)來進(jìn)行鉆孔探進(jìn)，能夠加快鉆探操作速度，而且不會(huì)對(duì)施工現(xiàn)場造成較大的影響。

圖4 正洞開挖超前水平鉆孔設(shè)計(jì)圖

圖5 輔助坑道開挖超前水平鉆孔圖

圖6 超前水平鉆實(shí)施流程圖

三、結(jié)語

綜上所述，在巖溶隧道工程施工中，地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達(dá)法、TSP地震波反射探測(cè)法以及超前水平鉆孔法作為應(yīng)用比較普遍的幾種綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，必須充分結(jié)合工程地質(zhì)的實(shí)際情況，合理選擇應(yīng)用鉆探方法，才能獲得更加準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，促進(jìn)巖溶隧道施工順利開展。