巖溶隧道施工綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)研究

馬 輝，陳壽根，譚信榮

(1.中鐵二局集團(tuán)公司，四川 成都 610031;2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

1 隧道施工超前預(yù)測方法

盡管在勘察設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了地質(zhì)勘察工作，但由于受地形條件、勘察技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性的限制，加上地質(zhì)體的復(fù)雜多變，地質(zhì)勘察工作是很難把詳細(xì)的地質(zhì)情況反映出來的，從而導(dǎo)致隧道施工中地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，滿足不了隧道安全施工要求，延誤工期。世界各國為擺脫隧洞施工中對地質(zhì)情況認(rèn)識(shí)不祥的被動(dòng)局面，不斷探索有效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。英、法、日、德等國均將隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)列為隧道工程建設(shè)的重要研究內(nèi)容。隧道施工中預(yù)測掌子面前方巖體的地質(zhì)情況是確保隧道安全施工的關(guān)鍵。

我國隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究始于20世紀(jì)50年代中期，20世紀(jì)70年代真正開始了我國隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的研究和應(yīng)用。目前，我國隧道施工期地質(zhì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用工程地質(zhì)調(diào)查法、超前平行導(dǎo)坑法、物探法(TSP、HSP、地震反射負(fù)速度法、地質(zhì)雷達(dá)、陸地聲納法等)和以地質(zhì)法為基礎(chǔ)結(jié)合物探的綜合方法。

2 工程概況

斗篷山隧道為貴(陽)－廣(州)高速鐵路線上的一座I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道里程為DK98+841～DK106+210，全長7369 m，位于貴州省黔南州都勻市西郊，地處苗嶺山脈的腹部區(qū)(圖1)。

圖1 隧道下穿在建木惱山調(diào)整公路隧道

斗篷山隧道為單洞雙線隧道，洞身最大埋深470 m，進(jìn)口軌面設(shè)計(jì)高程932.888 m，出口軌面設(shè)計(jì)高程852.056 m，人字坡，隧道進(jìn)口段上坡坡度3‰，長2159 m，中間段下坡坡度16.7‰，坡長4500 m，出口段17.3‰的下坡長710 m。最大開挖面積約148m2，最大開挖跨度約14 m，最大開挖高度約13 m。

2.1 地質(zhì)情況

斗篷山隧道位于貴州省黔南州都勻市西郊，地處苗嶺山脈的腹部區(qū)，溶蝕、剝蝕峰叢地貌，山體綿延，溝壑縱橫，溝谷深切，地形起伏大，山體植被茂密。隧道洞身地質(zhì)主要以灰?guī)r、白云巖為主，節(jié)理較發(fā)育，地表溶蝕發(fā)育程度強(qiáng)烈，洞內(nèi)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地下水為巖溶管道水，含水量豐富，通過二條斷層破碎帶，主要不良地質(zhì)為巖溶、古崩塌堆積體、軟質(zhì)巖大變形和巖爆等。

(1)巖溶，DK101+800前為可溶巖大面積出露，巖性以白云巖、灰?guī)r為主。地表普見溶痕、溶溝溶槽和石芽等，在地形起伏不大的長坡及巖性分界處分布有地下暗河、溶蝕洼地、漏斗等。

(2)古崩塌堆積體，分布隧道出口DK106+022～+295段，褐黃色、灰黃色，稍濕～飽和狀、中密狀，塊、漂石含量達(dá)75%，塊徑巨大，一般直徑100～300 cm，最大塊徑厚度約600 cm，石質(zhì)成分主要為石英砂巖質(zhì)、灰?guī)r質(zhì)，漂石間充填石英砂巖質(zhì)中密狀細(xì)、粗角礫土，局部為硬塑狀粉質(zhì)粘土;厚達(dá)15～40 m，為古崩塌堆積體。

(3)軟質(zhì)巖變形，DK103+200～DK103+400洞身圍巖以薄層粘土頁巖、砂質(zhì)頁巖為主，隧道埋藏深度大于400 m。故圍巖開挖后有產(chǎn)生過大變形的可能，故考慮該段為圍巖變形段，部分圍巖可能存在軟質(zhì)巖大變形。

(4)巖爆，DK103+400～DK103+550、DK104+450～DK104+700(洞身以石英砂巖為主)兩段隧道埋深均大于400 m，且位于較穩(wěn)定的單斜構(gòu)造區(qū)，巖體內(nèi)部應(yīng)力開挖時(shí)易突然釋放，存在弱巖爆的可能。

隧道區(qū)水系屬長江水系，清水江劍江支流，表水主要發(fā)育于線路左側(cè)2 km以外。苗嶺山脈在測區(qū)內(nèi)走向近南北向展布，近東西向和東北向的溝谷侵蝕切割強(qiáng)烈，水系沿構(gòu)造發(fā)育，并形成菱形網(wǎng)格狀。

2.2 重點(diǎn)與難點(diǎn)

本隧道工程施工重難點(diǎn)可歸納為:

(1)隧道兩次下穿高速公路，在軟弱圍巖地段安全通過，確保隧道和高速公路的安全為本工程的一大重點(diǎn);

(2)本隧道工程洞身斷層破碎帶多，同時(shí)穿越溶洞，施工時(shí)易發(fā)生突水突泥。準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道巖溶等不良地質(zhì)體，防止突水突泥發(fā)生是本工程重點(diǎn);

(3)隧道斜井較長，進(jìn)、出口單洞掘進(jìn)較長，保持良好通風(fēng)、排煙、排水是本工程的難點(diǎn)。

3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)及應(yīng)用

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

鑒于本隧道復(fù)雜的地質(zhì)條件，通過文獻(xiàn)調(diào)研，理論分析以及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)等，最終確定了以地質(zhì)雷達(dá)、超前地質(zhì)探孔、紅外探水、TSP、加深炮眼、孔內(nèi)雷達(dá)等綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

(1)地質(zhì)雷達(dá)(亦稱探地雷達(dá))探測法是利用電磁波的反射原理(圖2)，使用地質(zhì)雷達(dá)儀器向隧洞掌子面發(fā)射，經(jīng)地層界面反射返回隧洞掌子面，接收具有一定頻率的高頻脈沖電磁波，通過識(shí)別和分析反射電磁波來探測與周邊介質(zhì)具有一定電性差異的目的體的一種電磁勘探方法。地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)距離一般在20～30 m，它是綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系中的攻堅(jiān)階段。

圖2 電磁波反射示意圖

(2)超前地質(zhì)鉆孔是對TSP203預(yù)報(bào)和地質(zhì)雷達(dá)探測、紅外探測等手段探測到的不良地質(zhì)體的確認(rèn)。在物探手段單一的情況下超前地質(zhì)鉆孔應(yīng)連續(xù)搭接進(jìn)行，超前地質(zhì)鉆孔的位置、孔深、數(shù)量、取芯等由地質(zhì)人員根據(jù)物探預(yù)報(bào)成果并結(jié)合掌子面附近的地質(zhì)情況綜合分析確定。

鉆探深度宜控制在30～50 m，以減少對掌子面占用時(shí)間;鉆孔布置應(yīng)根據(jù)預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的產(chǎn)出規(guī)模、展布形式等確定。鉆探法的最大優(yōu)點(diǎn)是探測效果直接，同時(shí)在鉆進(jìn)過程中有大水被揭露時(shí)，可事前采取措施后對其原位灌漿封堵，其效果很好。

(3)在隧道中，圍巖每時(shí)每刻都在向外部發(fā)射紅外波段的電磁波，并形成紅外輻射場，場有密度、能量、方向等信息，巖層在向外部發(fā)射紅外輻射的同時(shí)，必然會(huì)把它內(nèi)部的地質(zhì)信息傳遞出來。干燥無水的地層和含水地層發(fā)射強(qiáng)度不同的紅外輻射，紅外線探水儀通過接收巖體的紅外輻射強(qiáng)度，根據(jù)圍巖紅外輻射場強(qiáng)的變化值來確定掌子面前方或洞壁四周是否有隱伏的含水體。其優(yōu)點(diǎn)是測量快速，基本不占用施工時(shí)間;資料分析快，測量完畢，即可得出初步結(jié)論，室內(nèi)整理及編寫報(bào)告也可在2 h內(nèi)完成。但缺點(diǎn)是只能測量出含水體的方位，測量不出含水體隱藏深度及水量大小、水壓等參數(shù)。

(4)TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)(圖3)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(bào)隧道掘進(jìn)面前方及周圍臨近區(qū)域地質(zhì)狀況的，TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。

圖3 TSP原理示意圖

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)用于預(yù)報(bào)隧道前方0～120 m范圍內(nèi)及周圍臨近區(qū)域地質(zhì)狀況，預(yù)測掌子面前方圍巖的類別;主要是對地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、地質(zhì)構(gòu)造及地下水的預(yù)報(bào)，包括地層巖性界面、構(gòu)造破碎帶、富水帶、巖溶發(fā)育帶等不良地質(zhì)體，確定其位置、規(guī)模及大致產(chǎn)狀，推測其性質(zhì)。除了為短期預(yù)報(bào)提供指導(dǎo)意義外，還同時(shí)能夠?yàn)槭┕挝恢贫ㄒ粋€(gè)相對長期的施工計(jì)劃提供科學(xué)的依據(jù)。

(5)通過加深炮孔對放炮后掌子面前方一定范圍進(jìn)行探測，并結(jié)合其他方法，互相驗(yàn)證，綜合分析。

(6)鉆孔雷達(dá)是具體探測掌子面前方以鉆孔為中心，15 m為半徑的一定空間范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體，它對進(jìn)一步判斷前方是否有大的空間儲(chǔ)水構(gòu)造，是一般物探方法不能做到的。尤其是避免了鉆探法無法解決底板及底角等部位的探測。孔內(nèi)雷達(dá)主要用于進(jìn)一步查明表面雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的掌子面前方的富水構(gòu)造，判斷地下水賦存情況(圖4)。

圖4 鉆孔雷達(dá)探測原理示意圖

斗蓬山隧道在現(xiàn)場施工中以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，物探方法為手段，多種方法相互印證和補(bǔ)充，以建立系統(tǒng)的巖溶地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)長大隧道綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)方法為目標(biāo)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析處理、資料的解譯及開挖對比等手段，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)確定超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測體系，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程，如圖5所示。

圖5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)流程圖

3.2 預(yù)報(bào)分類

(1)宏觀預(yù)報(bào):查閱了大量的勘察資料，設(shè)計(jì)圖紙，對工程區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行了較全面的了解，通過對前期資料的分析，并結(jié)合已挖洞段的預(yù)報(bào)和開挖實(shí)際對比總結(jié)，總體上把握不同洞段可能存在的不良地質(zhì)缺陷;

(2)中長距離預(yù)報(bào):主要采用TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，初步判斷掌子面前方100～250 m范圍內(nèi)可能存在的較大異常情況及巖體的完整狀況;

(3)短期預(yù)報(bào):主要采用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)，每次預(yù)報(bào)掌子面前方0～25 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，在宏觀預(yù)報(bào)和中長距離預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，針對重點(diǎn)部位，加強(qiáng)預(yù)報(bào)頻度和洞內(nèi)地質(zhì)素描;

(4)特殊方法預(yù)報(bào):當(dāng)發(fā)現(xiàn)較大含水層帶或通道時(shí)通過孔內(nèi)雷達(dá)測試查明其形態(tài)、規(guī)模及發(fā)育方向，在掌子面打超前探孔進(jìn)行鉆孔雷達(dá)預(yù)報(bào)時(shí)，所打超前孔深度一般不大于50 m，孔徑大于56 mm，采用1孔或多孔布置，探測半徑為15 m。一般情況只作1孔探測，如發(fā)現(xiàn)較大含水構(gòu)造，另增加2～3孔，以對目標(biāo)體進(jìn)行精確定位。

此外，為進(jìn)一步了解隧洞掌子面前方不良地質(zhì)情況，準(zhǔn)確分析和解釋物探測試資料，預(yù)報(bào)人員中必須配備地質(zhì)專業(yè)工程師，做到每天進(jìn)洞對隧洞開挖洞段進(jìn)行地質(zhì)編錄和觀察分析，及時(shí)收集第一手資料，根據(jù)所揭露的地質(zhì)現(xiàn)象，結(jié)合前期勘察資料，并通過已挖洞段預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖實(shí)際情況對比分析，最后對掌子面前方預(yù)報(bào)資料進(jìn)行合理的解釋，才能保證預(yù)報(bào)成果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

如圖6所示，隧道進(jìn)口段綜合應(yīng)用了多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測手段，取得了較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)成果。

圖6 隧道進(jìn)口綜合探測應(yīng)用示意圖

4 結(jié)論

通過本項(xiàng)研究，斗篷山隧道施工采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，提高了對前方不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，取得了如下主要研究成果。

(1)TSP203能有效地預(yù)報(bào)掌子面前方的主要結(jié)構(gòu)面，預(yù)報(bào)距離一般在80～150 m，其中TSP203能達(dá)到100～250 m，陸能聲納僅能達(dá)到80～100 m，TSP智能化程度較高，一般人經(jīng)過培訓(xùn)后較容易掌握;

(2)研究了地質(zhì)雷達(dá)(表面、鉆孔)用于超前預(yù)報(bào)的觀測系統(tǒng)布置，不同不良地質(zhì)缺陷的雷達(dá)圖像特征，同相軸與不良地質(zhì)體的空間位置關(guān)系，獲取了電磁波在不同巖性中的傳播規(guī)律及響應(yīng)特征，為巖溶隧道施工超前預(yù)報(bào)圖像解釋奠定了基礎(chǔ);

(3)超前探孔結(jié)合孔內(nèi)雷達(dá)技術(shù)在預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體時(shí)，遠(yuǎn)優(yōu)于其它方法;

(4)溶巖、溶蝕裂隙或管道、斷層等洞段，是地下水富集的主要通道，也是容易發(fā)生特大突涌水的主要部位。因此超前預(yù)報(bào)全方位綜合預(yù)報(bào)、相互印證，結(jié)合地質(zhì)分析綜合判斷是避免災(zāi)害性事故發(fā)生的根本保證;

(5)建立適合快速掘進(jìn)的預(yù)報(bào)體系，即以地質(zhì)分析為主線，宏觀預(yù)報(bào)、中長距離預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)、特殊方法預(yù)報(bào)相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)體系。

［1］譚天元，張偉，葉勇.隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的綜合物探技術(shù)［J］.貴州水力發(fā)電，2006，20(6)

［2］曾昭發(fā)，劉四新.探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2006

［3］白哲.地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［D］.武漢理工大學(xué)，2000

［4］何剛.TSP203系統(tǒng)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究［D］.中南大學(xué)，2005