TSP與水平地質(zhì)鉆在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

盧妙丹，周 立

（1、貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢有限公司 貴陽 550016；2、貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081）

0 引言

石灰?guī)r是地殼中分布最廣的礦產(chǎn)之一。溶洞是可溶性巖石中因喀斯特作用所形成的地下空間，溶洞的形成是石灰?guī)r地區(qū)地下水長(zhǎng)期溶蝕的結(jié)果［1］。巖溶區(qū)隧道主要的不良地質(zhì)為富水型巖溶管道、充填型溶洞、巖溶空腔等。巖溶是影響山區(qū)隧道建設(shè)最重要的因素，巖溶處治嚴(yán)重制約著隧道施工工期、施工質(zhì)量、工程造價(jià)并對(duì)施工人員的安全構(gòu)成巨大威脅［2］。如何精準(zhǔn)判斷隧道掌子面前方是否存在溶洞等不良地質(zhì)，對(duì)巖溶地區(qū)隧道施工非常重要。通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可以及時(shí)掌握和反饋掌子面前方隧道地質(zhì)條件信息，可提前調(diào)整和優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、防護(hù)措施，為優(yōu)化隧道施工組織、制定施工安全應(yīng)急預(yù)案、控制工程變更提供依據(jù)。精準(zhǔn)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，可以為各類突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生提供預(yù)警，以便提前采取積極措施，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率，實(shí)現(xiàn)隧道工程安全、質(zhì)量、工期、環(huán)境和投資控制目標(biāo)，將直接或間接地創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)一般以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，針對(duì)不同地段地質(zhì)條件和預(yù)報(bào)目的，進(jìn)行必要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，選擇有針對(duì)性、適用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理的方法和設(shè)備，采用一種或幾種方法的合理組合，達(dá)到預(yù)報(bào)準(zhǔn)確、費(fèi)用低、占用掌子面時(shí)間短的目標(biāo)。目前隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的主要方法有地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)素描、彈性波發(fā)射法（TSP，TGP，HSP）［3］、地質(zhì)雷達(dá)、紅外線探水、超前地質(zhì)探孔及其他綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法。

本文以某巖溶區(qū)隧道溶洞探測(cè)方案為依托，首先采用彈性波發(fā)射法（TSP）對(duì)掌子面前方不良地質(zhì)的進(jìn)行探測(cè)，查明了前方不良地質(zhì)的分布范圍與分布特征，然后采用超前水平鉆探技術(shù)對(duì)地質(zhì)異常帶進(jìn)行驗(yàn)證與修正，取得良好的探測(cè)效果，并根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果提出相應(yīng)的處治方案，確保了隧道施工的安全。

1 工程概況

隧道為分離式長(zhǎng)隧道，左幅隧道長(zhǎng)2 663 m，最大埋深約332 m，右幅隧道長(zhǎng)2 672 m，最大埋深約343 m。隧址區(qū)地處云貴高原向桂西北丘陵過渡的斜坡地帶，整個(gè)地勢(shì)由東北向西南方向傾斜，境內(nèi)高山連綿起伏，峰巒重迭，屬溶蝕-侵蝕地貌單元。場(chǎng)區(qū)位于廣西山字型構(gòu)造，受山字型構(gòu)造和華夏構(gòu)造控制。構(gòu)造條件比較復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造方向?yàn)楸蔽飨?，但因?gòu)造部位不同，構(gòu)造方向有所變化。東部及東南部為北西向、北西西向，局部近東西向；西部和北部為北、北西向，褶皺、斷裂表現(xiàn)強(qiáng)烈。根據(jù)鉆探、物探及工程地質(zhì)測(cè)繪，隧道區(qū)地層主要由石炭系中統(tǒng)（C2）灰?guī)r，石炭系上統(tǒng)（C3）灰?guī)r，二疊系下統(tǒng)棲霞階（P1q）灰?guī)r夾頁巖組成。

2 巖溶突泥發(fā)展情況

2021 年1 月5 日，隧道進(jìn)口右洞YK37+877 上臺(tái)階在施工過程中發(fā)現(xiàn)3 個(gè)溶洞，2 個(gè)位于上臺(tái)階下部，左側(cè)溶洞為半填充型，直徑約2.0 m，深度斜向上延伸，右側(cè)溶洞為無填充型，直徑約1.5 m，頂部溶洞直徑約0.3 m。2021 年1 月7 日，挖機(jī)排險(xiǎn)時(shí)，拱頂有掉塊現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)人員立即通知人員機(jī)械撤離，撤離后發(fā)生突泥約300 m3，如圖1所示。

圖1 突泥現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.1 Mud Bursting Site

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

3.1 TSP法探測(cè)

彈性波反射法是利用人工激發(fā)的地震波、聲波在不均勻地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波特征來預(yù)報(bào)隧道開挖工作面前方地質(zhì)情況的物探方法，包括地震波反射法、水平聲波剖面法、負(fù)視速度法和陸地聲吶法等［4］。

本項(xiàng)目使用地震波反射法（TSP），可適用于劃分地層界限、查找地質(zhì)構(gòu)造、探測(cè)不良地質(zhì)體的厚度和范圍等［5］。TSP 法探測(cè)是在隧道一側(cè)的同一水平線上從里向外布置24個(gè)炮孔，炮孔間距2.0 m，炮孔高度約1.1 m。接收孔對(duì)稱布置在隧道兩側(cè)，與最近炮孔距離一般為20.0 m。鉆孔布置平面示意圖如圖2所示。

圖2 TSP鉆孔布置平面示意圖Fig.2 Layout Plan of TSP Boreholes

本次檢測(cè)采用TSP203+設(shè)備進(jìn)行，其主要工作原理如下：TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布置及測(cè)試過程由一系列炮點(diǎn)、2 個(gè)三維接收傳感器（X、Y、Z方向）、接收機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，TSP203采用了回聲測(cè)量的基本原理［6］。地震波在指定的震源點(diǎn)（通常在隧道的右邊墻或左邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn)布成1條直線）用小藥量炸藥激發(fā)產(chǎn)生［7］。地震波在圍巖中以球面波形式傳播。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面（即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶、巖溶空腔和巖性變化等）時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來，一部分信號(hào)折射進(jìn)入前方介質(zhì)［8］。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器統(tǒng)一接收［9］。反射信號(hào)的傳播時(shí)間和反射界面的距離成正比，故而能提供一種直接的測(cè)量。

本次在右幅YK37+750-YK37+920區(qū)段進(jìn)行了TSP法預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)距離為170 m，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)如圖3所示。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，得出預(yù)報(bào)成果如圖4所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)TSP探測(cè)Fig.3 On Site TSP Detection

圖4 TSP預(yù)報(bào)成果Fig.4 TSP Forecast Results

根據(jù)以上TSP 法探測(cè)結(jié)果，右幅YK37+750-YK37+920 區(qū)段縱波波速與動(dòng)態(tài)楊氏模量起伏較大，且反射界面局部出現(xiàn)強(qiáng)烈負(fù)反射，推測(cè)有巖溶發(fā)育。YK37+880-YK37+900 區(qū)段出現(xiàn)強(qiáng)烈負(fù)反射，推測(cè)為充填溶腔范圍。

3.2 超前水平地質(zhì)鉆法探測(cè)

為減少占用掌子面作業(yè)時(shí)間、節(jié)約成本并保證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，該項(xiàng)目采用不取芯水平?jīng)_擊鉆進(jìn)行超前預(yù)報(bào)作業(yè)，超前探孔所用鉆桿直徑54 mm，鉆頭直徑65 mm。掌子面YK37+875鉆孔布置如圖5所示。

圖5 超前水平地質(zhì)鉆孔布置Fig.5 Layout of Advanced Horizontal Geological Drilling

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探，1#鉆孔上仰15°，鉆孔深度18.4 m，8～12 m處鉆進(jìn)速度快，鉆屑為粘土隨施工用水從孔口和鉆桿流出，推斷為溶腔填充物，12～18.4 m 處鉆進(jìn)速度正常，鉆屑為灰黑色顆粒，無溶洞。2#鉆孔右偏20°，鉆孔深度19.6 m，3～8 m處為巖溶空腔，8～19.6 m處鉆進(jìn)速度正常，鉆屑為灰黑色顆粒，無溶洞。3#鉆孔左偏20°，鉆孔深度21.8 m，2～5 m 處為巖溶空腔5～16.5 m處鉆進(jìn)速度快，鉆屑為粘土隨施工用水從孔口和鉆桿流出，推斷為溶腔填充物，16.5～21.8 m處鉆進(jìn)速度正常，鉆屑為灰黑色顆粒，無溶洞，鉆孔現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6所示。

圖6 1#孔黃色粘土鉆屑流出Fig.6 Yellow Clay Cuttings Outflow from Hole 1

根據(jù)超前地質(zhì)鉆探結(jié)果對(duì)TSP探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。右幅YK37+878-YK37+891為巖溶空腔，且存在泥質(zhì)填充物，YK37+891-YK37+900段巖體破碎，裂隙發(fā)育。

4 處治方案

根據(jù)TSP 探測(cè)結(jié)果，并結(jié)合超前水平地質(zhì)鉆，擬定如下方案：

⑴ 根據(jù)隧道右幅YK37+852-YK37+875 段初期支護(hù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，在保證安全的前提下，對(duì)YK37+862-YK37+875塌方體用洞渣回填反壓，并采用20 cm厚C25噴射混凝土封閉塌方體。

⑵對(duì)YK37+873-YK37+877 段塌方體進(jìn)行固結(jié)，采用4.5 m長(zhǎng)φ42×4 mm鋼花管進(jìn)行注漿，固結(jié)松散體。

⑶鋼花管固結(jié)完成后，在隧道洞內(nèi)打設(shè)超前地質(zhì)鉆和φ108×6 mm 大管棚（如現(xiàn)場(chǎng)成孔困難建議采用跟管鉆工藝），L=22 m，環(huán)向間距40 cm，管棚施工完成后，充分注漿固結(jié)開挖輪廓線周邊及塌方段巖土體（注漿壓力不小于1.2 MPa）［10］。

⑷根據(jù)YK37+852-YK37+875段初期支護(hù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，在拱頂下沉，周邊收斂數(shù)據(jù)穩(wěn)定，在保證安全的前提下，進(jìn)行隧道主洞開挖。主洞下臺(tái)階開挖過程中應(yīng)采用釬探等手段對(duì)隧道仰供下方（不小于5 m）進(jìn)行探測(cè)，以免隧道底部存在空洞，主洞開挖過程中應(yīng)加強(qiáng)地表塌方體、掌子面與初期支護(hù)的監(jiān)控量測(cè)，如有異常及時(shí)撤出相關(guān)人員。

5 結(jié)論

通過該隧道溶洞探測(cè)與處治工程實(shí)例，得出如下結(jié)論：

⑴TSP 法探測(cè)能夠基本明確不良地質(zhì)體與隧道的相對(duì)空間位置關(guān)系，通過數(shù)據(jù)疊加，初步判定隧道前方不良地質(zhì)體的空間位置及規(guī)模；

⑵采用超前水平鉆，對(duì)TSP 法探測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充探測(cè)，進(jìn)一步精確判斷不良地質(zhì)體的空間位置；

⑶采用TSP+超前水平地質(zhì)鉆的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，對(duì)掌子面前方不良地質(zhì)進(jìn)行了定性與定量的探測(cè)，解決了“如何精準(zhǔn)判斷隧道掌子面前方是否存在不良地質(zhì)”這一關(guān)鍵問題，為隧道處治方案提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。