超前地質預報在隧洞施工中的重要性和必要性

李錫均，張 鈞，李德春，高 正，胡濤濤

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

國外隧洞設計大量采用施工期的超前地質預報作為隧洞的補充和優(yōu)化，解決施工地質災害問題。

我國隧洞施工期的超前地質預報研究始于20世紀50年代，2005年以來，由于交通運輸部(當時的鐵道部、交通部)和水利部等有關部門的高度重視，在新建鐵路、高速公路、大型輸水引水工程的隧洞施工的廣泛應用，制訂了一系列的相關工作指南，讓超前地質預報工作快速發(fā)展和規(guī)范化創(chuàng)造了有利的條件。

隨著科學技術的發(fā)展，特別是電子技術和計算機技術應用觀察家地質勘探領域和大數(shù)據(jù)的廣泛應用，以及智慧水利的提出、BIM技術的應用和大量的引調水線路工程的施工，為地質勘探技術的發(fā)展奠定了良好的局面，為超前地質預報理論研究創(chuàng)造了良好的基礎。超前地質預報是一門綜合性的學科，它依托于地質學和地球物理學，地球物理學技術中主要涉及電磁場方法和彈性方法。

1 工程應用

1.1 工程概況

BMS隧洞布置于金沙江水系與南盤江水系的分水嶺南翼主要由古生代地層構成單斜低中山、丘陵剝蝕地形，地形坡度15°～25°，分布高程1850～2030m，相對高差50～170m，地勢北低南高。隧洞前段切割較淺，丘陵呈波狀起伏，山頂渾圓，坡度平緩，溝谷開闊。隧洞出口岸坡地形坡度30°～40°，局部沖溝掏蝕的陡崖坡度達60°。隧洞全長4996.274m。隧洞一般埋深45～100m，最大埋深134m。

1.2 工程地質概述

BMS隧洞地處云南山字型構造前弧與青、藏、滇、緬、印尼歹字型構造體系東支中段復合部位，該區(qū)域分屬一級構造單元—揚子準地臺，進一步劃分二、三級構造單元，屬Ⅰ3滇東臺褶帶之I13昆明臺褶束。區(qū)內構造復合以及聯(lián)合現(xiàn)象普遍，各種構造形跡力學性質復雜，但它們都有一定的組合規(guī)律和成生聯(lián)系。隧洞東有小江斷裂、西有普渡河斷裂、南有曲江斷裂。工程區(qū)以東為小江強烈地震帶，以南為通?！翉娏业卣饚?。

隧洞進口地層巖性以震旦系下統(tǒng)澄江組(Zacss)長石石英砂巖為主，巖層產(chǎn)狀為140∠40°；節(jié)理裂隙以①101∠72°、②352∠58°兩組發(fā)育，受區(qū)域斷層、褶皺等影響，地層完整性差，富水性較好，如圖1—3所示。

圖1 隧洞進口工程地質平面圖

圖2 隧洞進口工程地質剖面圖

圖3 隧洞進口掌子面節(jié)理裂隙發(fā)育情況

隧洞進口段洞身段鄰近ADC水庫，位于隧洞軸線南東側，其水平距離19～195m，如圖4—5所示，水面高程1873m，水域面積0.02km2，儲水量14×104m3。

圖4 水庫與隧洞進口的平面關系

庫水位高于隧洞頂板約27～41m，且距隧洞軸線較近，地下影響半徑R=100～130m，沿長石砂巖、長石石英砂巖裂隙存在與庫水連通，產(chǎn)生涌水，甚至疏干水庫，對水庫蓄水影響較大。

圖5 ADC水庫蓄水情況

1.3 超前地質預報

為了保證水庫的蓄水安全和避免隧洞掘進過程安全事故的發(fā)生，是否在隧洞掘進前先進行超前帷幕的施工，是施工單位亟待解決的問題，直接影響工程造價和施工工期，因此進行超前地質預報是預測與判定高效和較經(jīng)濟的方法。采用的超前地質預報方法為地質雷達和TRT兩種。

1.3.1地質雷達

在隧洞YX32+940掌子面布置三條測線，如圖6所示，預報前方YX32+940～YX32+970范圍內巖體的完整性和裂隙水(地下水)的活動情況。

圖6 地質雷達測線布置圖

(第一條測線距隧洞底板1.2m，第二條測線距隧洞底板3.0m，第三條測線為掌子面中心線)

根據(jù)地質雷達測線圖像，如圖7—8所示，綜合分析解釋，掌子面前方YX32+940～YX32+970段范圍內雷達信號同相軸連續(xù)差，能量分布不均勻，結合目前掌子面揭露的地質情況，推測預報洞段地質巖性為紅褐色強風化長石石英砂巖夾泥巖，巖體完整性差，局部裂隙發(fā)育密集，存在裂隙水，以滲滴水為主，局部呈線狀。

圖7 地質雷達測線圖像成果之一

圖8 地質雷達測線圖像成果之二

1.3.2TRT7000超前地質預報

在YX32+984.178掌子面前布置TRT7000超前地質預報，如圖9所示，預報YX32+984.178～YX33+093.43范圍內巖體的完整性和裂隙水(地下水)的活動情況。

圖9 TRT7000測點布置圖(紅色為錘款擊點，藍色為接收點，綠色為隧洞走向)

根據(jù)TRT7000俯視圖、側視圖、立體圖，如圖10—12所示，綜合分析解釋為：

圖10 TRT7000超前地質預報俯視圖

圖11 TRT7000超前地質預報側視圖

圖12 TRT7000超前地質預報立體圖

(1)樁號YX32+984.178～YX32+998段：該段地震反射波反射信號弱，推測該段地層巖性與掌子面一致，為長石石英砂巖局部夾泥巖，巖體完整性差，洞壁潮濕。

(2)樁號YX32+998～YX33+019段：地震反射為正負相間的片狀、層狀反射，解釋為強風化長石石英砂巖，局部存在泥質夾層，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差，開挖過程中會有滲水至滴水現(xiàn)象。

(3)樁號YX33+019～YX33+028段：該段地震反射波反射信號弱，巖性為長石石英砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差，開挖過程中會有滲水、局部沿裂隙面滴水現(xiàn)象。

(4)樁號YX33+028～YX33+063段：地震反射呈散點狀、片狀反射，解釋為含水破碎帶，巖性為強風化長石石英砂巖，局部存在泥質夾層，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，開挖過程中局部易坍塌、掉塊、變形，有滴水、沿裂隙面線狀流水現(xiàn)象。

(5)樁號YX33+063～YX33+093.43段：地震反射為正負相間的片狀反射，解釋為強風化長石石英砂巖，局部存在泥質夾層，巖體較破碎，隧洞圍巖不穩(wěn)定，開挖過程中會有滴水、局部線狀流水現(xiàn)象，建議圍巖類型為Ⅴ類。

綜上所述，超前地質預報在YX32+940～YX32+970或在YX32+984.178～YX33+093.43范圍內，巖體的完整性差，存在裂隙水(也就是巖體內存在著地下水)，在隧洞掘進過程存在滴水、滲水現(xiàn)象，局部存在線狀流水現(xiàn)象，但與ADC水庫的庫水位沒有存在直接的關系，由此說明在隧洞掘進時，不會影響水庫的蓄水和水庫的安全，在此后的隧洞掘進完成過程中也證實上述的成果是正確的。

2 結語

超前地質預報應以地質分析為基礎、物探方法為手段，多種方法相互印證和補充的綜合預報體系進行預報。

復雜的大型工程和引調水線路根據(jù)GB50847—2008《水利水電工程地質勘察規(guī)范》、SL629—2014《引調水線路工程地質勘察規(guī)范》要求進行的勘測工作量布置是有限的，還由于勘測工作受政治、規(guī)劃設計方案、地質條件、勘測工期、勘測條件及經(jīng)費等多種因素的影響，不能全面揭露隧洞復雜的工程地質條件和水文地質條件，只有在施工階段給以完善和補充，優(yōu)設計方案。在隧洞施工過程還存在著“塌方不可抗御論”的誤區(qū)，但科研實踐和大量的施工實踐證明，只要做好施工地質工作，特別是超前地質預報工作，地質條件再復雜的隧洞，也可做到少塌方或不發(fā)生塌方，預防隧洞施工過程突水、突泥等可能形成的災害性事故的發(fā)生，及時提供信息，使施工單位提前做好準備，保證施工安全，同時還能使工程造價隆低、縮短施工周期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。

隨著科學技術的發(fā)展和電子技術計算機技術應用，特別物探手段的不斷發(fā)展，超前地質預報通過采用宏觀地質預報、中長距離預報(TRT)、短距離預報(地質雷達)、特殊方法預報(鉆孔電視)相結合對地質災害進行評估并及時發(fā)出警報，通過不良地質體及時、有效地采取應急施工措施，為防治重大的地質災害提供有力的保障。高水平、高質量、準確的的超前地質預報在地質條件復雜的隧洞施中的是必不可少、不可缺的工序，其重要性和必要主要體現(xiàn)在：

(1)進一步查明和復核隧洞開挖前方的工程地質和水文地質條件，指導工程施工的順利進行。

(2)降低地質災害事故發(fā)生的機率和危害程度。

(3)為優(yōu)化設計方案提供可靠的地質資料。