超前地质预报在岩溶地区隧道中的应用

中铁二十三局集团沪昆客专一项目部  项子祥

摘要：本文以沪昆客专贵州段旧寨隧道穿越云贵高原复杂岩溶地带为研究对象，在现场调查和地质分析的基础上，综合开展了多种超前地质预报工作，对旧寨隧道岩溶地带进行超前探测。经过现场实践表明，围岩实际情况和预报结果基本吻合。说明超前地质预报可为隧道施工防灾重点区段的确定以及施工控制措施的制定提供依据，保证旧寨隧道穿越岩体溶蚀地带的施工安全。

关键词：旧寨隧道；岩溶地带；超前地质预报；施工措施

1引言

沪昆客运专线贵州段是上海至昆明国家高速铁路在贵州境内的重要路段之一，是连接我国东、西部地区的铁路大动脉，主线全长559.5km，设计时速250公里，总投资680.08亿元。该段安全风险高，多座隧道洞身处于岩溶循环带内，桥隧比例超过线路总长的81％。沿线地质复杂，存在大量滑坡、岩溶、塌陷、断层和采空区等不良地质条件。

沪昆客专贵州段旧寨隧道位于贵定县马场河乡境内，为双线隧道，起讫桩号为DK653+658～DK656+053，全长2395m。旧寨隧道穿越灰岩、白云岩等岩溶强烈发育的地层，地质构造较复杂。施工期间出现大量的渗、涌水、突泥及塌方等灾难性的地质灾害，并严重威胁施工安全。因此能否开展好超前地质预报，快速决策，妥善处理突发性地质灾害是旧寨隧道顺利通过岩溶地带的关键。然而目前工程中各种主要的地质超前预报各有其优缺点，为了准确的预报岩溶地段岩体的情况，综合利用各种超前地质预报预测前方围岩特性是合理有效的方法。本文通过多种超前地质预报工作，探测旧寨隧道岩溶地段掌子面前方围岩的完整性、溶蚀破碎带及突泥突水的规模以及其它不良地质地层的情况，以此来指导安全施工。

2超前地质预报的工作原理及方法

旧寨隧道岩溶地带施工过程中，为了准确掌握岩溶带岩体围岩具体状况，超前地质预报项目组采用了主要以地质分析为主线，运用多种超前地质预报方法和手段相结合进行预测。其中超前地质预报分为长距离和短距离两类。

2.1TSP探测

TSP超前地质预报系统与其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理(见图1)。它能方便快捷预报掌子面前方100m甚至更远范围内的地质情况，为隧道工程以及变更施工工艺提供依据。地震波在指定的24个激发孔 (见图2)用小药量激发产生。地震波在岩层中以球面波形式传播，当地震波遇到溶洞、岩溶破碎带和岩层的分界面时，一部分地震波将会被反射回来，另一部分信号折射进入前方介质。反射的地震波将通过接收孔被高灵敏度的地震检波器接收并传递到主机。反射波的旅行时间和反射界面的距离成正比，故而能提供一种直接的测量。

图1 TSP法工作原理示意图和波形记录

图2 DK654+039断面观测系统布置平面示意图

2.2 地质雷达

地质雷达法通常是一种地下甚高频到微波段电磁波反射探测法(见图3)。其工作原理是：发射器通过发射天线向围岩中定向发射电磁波，在掌子面前方岩体内部定向传播的电磁波当遇到有电性差异的界面时即发生反射，反射波由接收器所接收。通过对反射波信号进行一系列的处理后，根据反射波的强度、形状及其在竖向和环向上的变化情况来判别反射目标的性质，如断层、溶洞及破碎带等。

图3 地质雷达探测原理图

2.3红外探水

利用探测面和深测曲线确定掘进前方有无含水构造（见图4）。探测面即在掌子面自上而下水平布置四行探点，每行6 个。把每个探点的仪器读数值填入掌子面红外探测记录表中，并计算纵横行所测数值的最大差值，由此差值来确定前方有无含水构造。探测曲线即由掌子面位置，向其后方每隔5m对四壁探测一次，共探测12次，每次探测的顺序依次为左边墙脚、左边墙、拱顶、右边墙、右边墙脚、底中，这样沿隧道掘进方向形成6条探测线。当掘进前方存在含水构造时，含水构造这个灾害源就会产生一个灾害场，向四面八方传播，当然也会向掌子面后方传播。我们由掌子面后方，向掌子面方向每隔5米，对四壁探测一次时，如果含水构造在掌子面前方不超过30 米，在逐点探测中，将会发现前方含水构造产生的红外异常，根据红外异常，可确定含水构造。

图4 隧道掌子面、四壁、纵向探点示意图

2.4掌子面地质素描

每次循环开挖后对掌子面和左右边墙进行素描。预测隧道掌子面前方不良地质体可能出现的类型、部位、规模，特别是对掌子面或边墙揭露的溶洞和破碎带：调查其规模及其分布位置、延伸方向、充填物情况。利用作图分析，推断其将在何处到达危险部位。以便隧道施工采取合理的工艺措施，避免事故的发生。

2.5超前水平钻孔

根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定或根据钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的情况来判断岩体的大概情况。对采用各种探测设备预报到的不良地质进行确认,对于出水的超前钻孔，进行不间断的水量、水压监测，绘制水量、水压变化曲线，为制定地下水处理方案提供依据（见图5）。

图5 超前水平钻机现场钻孔示意图

3超前地质预报在岩溶发育地段的应用及成果分析

当隧道施工至DK654+090断面时（见图6），掌子面围岩岩性变化大，围岩由完整岩体转变成填充溶洞极度发育，出现大量黄泥携带少量岩溶裂隙水涌出现象，围岩结构松散破碎，并结合地质勘察资料，初步判断已经进入岩溶较发育地带，为了施工安全项目部决定进行综合超前地质预报资料进行分析。

(a)白云质灰岩夹泥、溶洞极度发育                       (b)竖向溶洞发育至开挖轮廓线以外

图6 DK654+090掌子面围岩情况  

3.1 TSP应用及成果分析

在旧寨隧道桩号为DK654+039处，采用TSP进行长距离超前预报，在DK654+078处进行地质雷达的短距离超前预报。根据TSP探测结果，掌子面前方100米范围内，推测围岩具体情况如下见表1。

表1 TSP预测结果一览表

图7 DK654+039掌子面P波深度偏移剖面

图8 DK654+039掌子面提取的P波反射层

从图7~8推断结果，掌子面前方围岩条件复杂，DK654+070～DK654+100里程段，即掌子面前方30米左右，纵横波传播速度明显降低，出现反射截面，节理裂隙较发育，岩体较破碎，容易塌方；DK654+100～DK654+139里程段，纵横波出现异常，此处节理裂隙发育，岩体破碎。

3.2 地质雷达应用及成果分析

地质雷达进行进一步的探测（图9~12），结果表明隧道DK654+078～DK654+093段存在一明显地质异常带，结合地质资料，初步断定为岩体破碎带，岩溶较发育。该掌子面前方25米内，节理裂隙较为发育，局部裂隙水，围岩稳定性较差。

图9 DK654+078雷达检测成果图(水平测线1)                  图10 DK654+078雷达检测成果图(水平测线2)

图11 DK654+078雷达检测成果图（垂直测线1）               图12 DK654+078雷达检测成果图（垂直测线2）

3.3 红外探水应用及成果分析

对掌子面前方含水构造进行探测（见表2、表3、图13），探测里程范围为DK654+078～DK654+108 段。通过现场观察结合地质雷达探测资料，由红外探测仪测定的数据得出，掌子面红外辐射场强的差值小于安全值10，但红外探测曲线波动较大，推测发育基岩裂隙水或岩溶水。

表2 掌子面超前探测记录表

表 3 沿隧道走向红外探测数据记录表

图13 红外探测曲线图

3.4超前水平钻应用及成果分析

为了比较准确的掌握掌子面前方断层破碎带的含水情况，施工方对掌子面前进行了三孔水平钻的施作，钻孔布置为：中部布置一个，左右两边墙各均匀布置一个。钻机采用C6多功能钻机，水平钻孔施作结果如下：

DK654+039～DK654+075段钻机钻进速度时快时慢，施工用水携带大量黄泥流出，说明此段围岩较破碎，节理裂隙发育，局部夹泥；DK654+075~ DK654+105段钻机钻进速度时快时慢，且观察施工用水携带大量黄泥流出，由此可推断该段围岩岩性复杂，岩体比较破碎，溶洞、溶腔发育； DK654+105~ DK654+139段，钻机钻进速度先快后慢，施工用水先带少量黄泥后呈白色，说明该段围岩先较破碎，后围岩完整性逐渐变好。

3.5掌子面素面应用及成果分析

经掌子面素描，从隧道开挖揭露的地质情况来看围岩实际情况基本与预报的地质情况一致。

4 施工措施

根据综合超前地质预报的结果，项目部采取了有效的措施预防可能发生的工程地质灾害：

（1）加强防排水措施，缩小横向排水管的间距，并采取有效措施及时的将涌水排出洞外；

（2）加强监控量测，并跟据预报和分析结果及时调整支护参数，预防隧道塌方发生；

（3）加固岩溶段松散破碎岩体，在超前围岩预注浆方案的基础上，采取增加注浆区段的长度、提高浆液强度、添加掺加剂、增加注浆孔直径环数、减小注浆孔间距的方法加固地层或封堵水源；

（4）岩溶地段施工时严格控制爆破进尺，严禁超欠挖，尽量减小对围岩的扰动，加强支护，及时跟进二次衬砌及仰拱；

（5）合理安排施工工序，及时跟进二衬及仰拱，保证围岩的稳定；在软弱围岩段，严格控制开挖进尺与爆破装药量，规范初期支护的施工，严禁初支背后留有空洞。

5 结语

在旧寨隧道岩溶地带的施工过程中，采用了以地质分析为主线，通过TSP探测技术、地质雷达、红外探水、超前水平钻孔及掌子面地质素描法相结合，进行超前地质预报。为特殊、不良地质地段的隧道施工控制措施的制定提供了依据，有效的指导施工，达到施工过程安全、合理、经济。通过工程实践，可以得出以下结论：

（1） 针对旧寨隧道穿过岩溶地段可能出现的溶洞、突水涌泥、断层破碎带、围岩稳定性等不良地质所开展的超前地质预报工作，为同类隧道提拱了较为完整的方法和思路，可进行推广应用；

（2）由于目前各种超前地质预报各有其优缺点，针对旧寨隧道岩溶地带这种复杂的围岩条件下的超前地质预报，应采用多种预报相结合，相互补充印证，达到较为准确掌握掌子面前方围岩基本特征的目的，从而有效的指导施工，预防灾害的发生；

（3）超前地质预报是探测不良地质状况的有效手段，应得到足够的重视。特别是对于复杂围岩条件，或可能出现地质灾害的区段，更应该将超前地质预报作为指导施工的重要依据；

（4） 隧道施工需要特别重视地质勘察工作，施工单位需做细致的超前地质预报工作，准确掌握和判明隧道开挖掌子面前方的地质情况，以确保施工安全有效地顺利进行。

参考文献

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前面大篇幅的理论部分应该删减，重点突出后面应用部分。