高速公路巖溶隧道綜合超前地質預報研究

吳存興

(三明市高速公路有限公司， 福建 三明 365000)

高速公路隧道施工中，經常會遭遇溶洞、破碎帶、含水帶等不良地質體，由于其具有復雜性、多變性、隱蔽性等特點，給隧道安全施工帶來了巨大風險。為了提高隧道施工風險的可控性，在施工過程中運用超前地質預報技術，及時、準確地探測掌子面前方及周邊區域的不良地質體及其工程性質，為正確選擇開挖斷面、支護參數及施工方案提供依據，并為預防隧道涌水、突泥等可能出現的災害事故及時提供信息，從而有效避免或減少隧道災害造成的工程損失和人員傷亡[1～8]。

在巖溶地區隧道施工中80%遇到水害，因水文、地質問題引起的施工地質災害造成停工的時間，約占施工總工期的30%。隧道突水、突泥已成為施工過程中最常遇到并具極大危害性的地質災害，泉三高速公路的三陽隧道，曾發生11.8×104m3/h的涌水，造成停工數月。據鐵路隧道統計，京廣線大瑤山隧道穿過9#斷層時，突水量達 3×104m3/d；成昆線沙木拉達隧道最大總涌水量達195504 m3/d，最大突水量達36.11 m3/min，曾造成停工達32 d 之久；京廣線南嶺隧道曾發生3次較大突泥共11738 m3、最大突水量達 11143 m3/d，總涌水量達 16885 m3/d；大秦線軍都山隧道曾發生 12 次突水突泥，其中最大2次共2100 m3的泥屑流災害等；渝懷線圓梁山隧道施工中涌砂、涌水達數十次之多，造成重大傷亡，損失慘重[9～10]；宜萬鐵路某隧道由于大規模突水也造成了多名施工人員失蹤的災難性事故?？梢哉f，突水突泥給巖溶地區隧道施工安全帶來了重大災難和無法估計的經濟損失。因此，為了保證高風險巖溶地區隧道施工安全，減輕突水突泥等災害損失，對巖溶地區隧道施工地質災害預報預警工作進行深入的研究，具有重要的理論意義和重大的工程實用價值。

鑒于目前在巖溶隧道施工中經常遭遇的富水或含泥溶洞、暗河、涌水和突泥等災害，給隧道安全施工帶來了巨大風險，本文結合福建省永寧高速公路石林隧道的超前地質預報工作。介紹巖溶隧道的綜合超前地質預報方法，其預報方法和原則可對今后類似工程提供參考和借鑒。

1 隧道超前地質預報應用現狀

隧道超前地質預報技術的開發與應用時間不長，正處于一個快速發展階段，是國內外工程地質和隧道工程界十分關注而又沒有得到很好解決的難題[11]。從 20 世紀 50 年代開始，先后采用地質調查法、超前地質導坑、水平超前鉆探等方法進行超前地質預報。地質調查法是根據隧道已有勘探資料、地表補充地質調查資料，通過地層層序對比、地層分界線及構造線地下和地表相關性分析、斷層要素與隧道幾何參數的相關性分析、臨近隧道內不良地質體的前兆分析等，利用常規地質理論、地質作圖和趨勢分析等，推測開挖工作面前方可能存在不良地質體的一種超前地質預報方法。地質調查法的缺點是預報精度低，距離短，過于依賴地質人員的經驗和推斷，在很多時候對突變性不良地質體(如溶洞、張性斷裂構造)無法做出準確預報。超前地質導坑法是在與隧道正洞軸線平行方向，在距正洞軸線一定距離或在正洞軸線上開挖一斷面較小的超前硐室，用以探明隧道的地質條件。開挖超前導坑時，同樣存在地質預報的問題，而且由于該方法代價高，在實際工程中除非有其他用途如運輸、通風等，該方法在實際工作中很少采用。水平超前鉆探法在鉆深孔時，鉆孔無法保持水平，同時需要大量占用掌子面的工作時間，嚴重影響施工進度。

由于上述方法預報距離近、對隧道掘進施工干擾大，不能滿足隧道快速、科學施工的需要。因此，科研工作者開始探索預報距離遠、施工干擾小、預報準確的物探方法，如基于地震波理論的TSP、TGP，電磁波的地質雷達(GPR)，紅外探水等。

TSP超前預報方法(tunnel seismic prediction)是由瑞士Amberg測量技術公司上世紀90年代初開發的用于隧道超前預報的技術。中國先后引進了該公司的 TSP202、TSP203、TSP200 超前預報系統，特別是鐵路系統引進數量較多，設備利用地震反射波原理，所以用來預報掌子面前方與隧道軸線大角度相交的平直不良地質體(斷層、節理)效果較好，但數據處理參數選取無理論、試驗依據，參數選取的隨機性較大，導致數據處理結果的離散型和不確定性較大。TGP由北京水電物探院研制，其基本原理與應用情況同TSP相近。

地質雷達是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程質量檢測、場地勘察中被采用，近年來也被廣泛應用于隧道超前預報工作。地質雷達是應用電磁波的探測技術，它根據電磁波雙程走時的長短差別，確定探測目標的形態和屬性，結合理論分析達到對前方目標的探測與判斷。地質雷達主要用于對掌子面前方短距離(20～30 m)的特殊地質問題(如破碎帶、巖溶地區發育的溶洞、裂隙水等)進行預測、預報，缺點是預報距離短，抗金屬等物質干擾能力差，并且數據處理和資料解釋難點較多，需要專家級的人員憑經驗作正確判斷，一般工作人員難以準確掌握[12～13]。

紅外線技術是一種輔助探水方法，由于所有物體都發射出不可見的紅外線能量，這能量的大小與物體的發射率成正比。而發射率的大小取決于物體的物質和它的表面狀況。當隧道掌子面前方及周邊介質單一時，所測得的紅外場為正常場，當前面存在隱伏含水構造或有水時，他們所產生的場強要疊加到正常場上，從而使正常場產生畸變。根據掌子面溫度受前方水體影響，其溫度變化來探查25 m以內的水體。但由于該方法受施工環境等各種因素的影響，掌子面的溫度受到干擾很多，以至影響其探查效果。其判定標準為掌子面上9個數據的最大差值大于10 μW/cm2，就可以判定有水；紅外輻射曲線上升或下降均可以判定有水，其他情況判定無水。紅外探測的特點是可以實現對隧道全空間、全方位的探測，儀器操作簡單，能預測到隧道外圍空間及掘進前方30 m范圍內是否存在隱伏水體或含水構造，而且可利用施工間歇期測試，基本不占用施工時間。但這種方法只能確定有無水，至于水量大小、水體寬度、具體的位置沒有定量的解釋。

由于物探方法解譯的多解性，很多時候單一一種物探手段得到的結果隨機性、不確定性較大，可靠性較低，造成預報結果準確率偏低，這種情況在復雜地質情況下更為突出，如溶洞、地下水發育的巖溶地區。通過多年的工程實踐，眾多學者總結提出綜合超前地質預報的原則，即洞內外相結合；長短結合；地質與物探結合；合理搭配、科學管理；貫穿全程、因地制宜。

2 工程實例

2.1 工程概況

石林隧道為分離式隧道結構，右洞長2865 m，左洞長2875 m，雙向四車道，設計速度100 km/h。場址區屬構造侵蝕中低山地貌，進口段處緩坡地帶，洞口350 m范圍屬淺埋地段。洞口淺埋段屬坡積土結構，隧道設計圍巖地層自上而下穿越：坡積粉質粘土、坡積含碎石粉質粘土、殘積含碎石粉質粘土、殘積粘性土、強風化泥巖、砂土狀強風化泥巖、 碎塊狀風化泥巖、砂土狀強風化石英砂巖夾千枚狀粉砂巖、碎塊狀石英砂巖、弱風化石英砂巖等，進口段V級圍巖長度達464 m。大部分段落溶洞發育，含水及填充物，易發生突水、突泥，地下水位較高，水量豐富。

2.2 施工概況

石林隧道縱坡采用+2.0%的單向坡，目前處于V級圍巖段，設計采用CD法開挖，支護參數為Z5形式。支護參數為：永久支護采用錨噴支護形式，超前小導管預支護。超前支護采用5米長Φ50×5 mm超前小導管，環向間距50 cm，縱向排距3.5 m。I18鋼支撐設置間距70 cm，網格間距為20 cm×20 cm的Φ6鋼筋網拱墻單層滿鋪，系統錨桿采用Φ25中空注漿錨桿，長350 cm，拱、墻部位按100 cm×100 cm梅花型布設，C25噴射混凝土厚度為24 cm，拱腳處設置鎖腳錨桿一對，采用3.5 m長Φ22砂漿錨桿錨固。仰拱及二次襯砌采用鋼筋混凝土結構，厚度為45 cm，主筋采用Φ16 mm螺紋鋼，縱向間距20 cm，縱向鋼筋采用Φ12 mm螺紋鋼，環向間距20 cm。

臨時支護采用I14鋼架支護，外側設置3.5 m長Φ22超前砂漿錨桿，縱向間距2.1 m，掛網噴射C20混凝土，噴砼厚度20 cm。單側臺階間設置20 cm厚C20現澆砼臨時仰拱。

隧道進口段進洞175 m后圍巖主要為砂土狀強風化泥巖、粉砂巖，個別段落中夾石灰巖孤石。巖性不均勻，變化較大，完整性較差，緩斷層及破碎帶分界明顯。地下水發育，多成淋雨狀，圍巖自穩能力極差，拱部未支護時極易坍塌，側壁掉塊現象嚴重。受隱存的斷層破碎帶影響，圍巖壓力大，初期支護變形嚴重，局部侵限，噴射砼表面開裂，鋼支撐扭曲變形，該類圍巖段落兩洞合計長度近700 m。

進口段7次出現突泥涌水現象，流沙段長度累計達275 m。突泥、涌水部位現明顯溶腔，石英砂巖顆粒隨泥漿涌出，地下水流量大，呈涌流狀(圖1)。其中YK14+175～YK14+210段出現塌方。

圖1 石林隧道地質災害圖

3 綜合超前地質預報及結果分析

鑒于石林隧道地質條件復雜，災害頻發，超前地質預報工作受到參建各方高度重視，并堅持長短結合；地質與物探結合；合理搭配；貫穿全程；綜合分析的原則進行?？紤]隧道處于緩坡地帶、埋深較淺、圍巖差、地下水發育等特點，超前地質預報全程采用長距離的TSP、短距離的GPR和紅外探水相結合的方式進行，成功進行巖溶預報的區段位于石林隧道出口左線里程ZK15+543處。

3.1 TSP探測成果

本次探測采用瑞士Amberg的TSP203系統進行，探測時掌子面的里程樁號為 ZK15+641，在24個炮點中，距掌子面最近的10 m，檢波器距最近炮點15 m。本次預報里程為ZK15+641～ZK15+461，圖2～3為探測分析圖，據TSP探測成果圖分析，在區間ZK15+513～ZK15+475內，縱、橫波波速顯著降低，縱波波速由4680 m/s降到4030 m/s，橫波波速由2510 m/s降到2060 m/s；泊松比由0.13增大到0.24，明顯增大；密度由2.75下降到2.55，顯著降低。因此，通過TSP結果推測區間ZK15+513～ZK15+475溶蝕裂隙發育，為溶蝕破碎帶，或發育溶腔、溶槽，夾軟土并充填大量水。

圖2 反射層提取圖

圖3 預報結果2D視圖

3.2 GPR探測成果

地質雷達采用GSSI公司生產的SIR 20地質雷達，配屬100 MHz的屏蔽天線，探測時掌子面的里程樁號為ZK15+522，掌子面上共布設4條測線，其中水平測線2條，分別為測線1、測線2；豎直測線2條，分別為測線3、測線4，具體測線布設和掌子面情況見圖4。

圖4 ZK15+522掌子面地質圖及測線示意圖

本次預報里程為ZK15+522～ZK15+506，預報距離僅為16 m，圖5～6為探測分析圖，可見，掌子面前方6 m后(ZK15+516)反射波振幅明顯增加，同相軸間斷、分叉，考慮到TSP探測結果，此區間(ZK15+513～ZK15+475)溶蝕裂隙發育，為溶蝕破碎帶，或發育溶腔、溶槽，夾軟土并充填大量水，考慮到目前雷達探測揭示的不良地質體前端(ZK15+516)與TSP探測結果(ZK15+513)基本吻合，并且雷達的探測掌子面距前方不良地質體的距離不足6 m，然而如此短的距離上目前的掌子面上基本無長度超過2 m的裂隙、掌子面上無水滲出，即無跡象表明掌子面前方的不良地質體是由裂隙發育而導致的溶蝕破碎帶。因此，綜合判定ZK15+516～ZK15+506有溶腔、溶槽發育，并填充軟土和大量水。

圖5 ZK15+522掌子面水平向地質雷達探測成果圖

圖6 ZK15+522掌子面豎直向地質雷達探測成果圖

3.3 紅外探水探測成果

紅外探水預報采用 HY-304 型紅外探水儀進行。本次探測的掌子面為ZK15+527，其上具體測線及測點如下所述，自上而下水平布置4行探點，每行 6 個探點，見圖 7。由掌子面位置，向其后方每隔 5 m 對4壁探測一次，共探測 12 個斷面，每次探測的順序依次為左邊墻腳、左邊墻、拱頂、右邊墻、右邊墻腳、底中，見圖7。這樣沿隧道掘進方向形成 6 條探測線，分別為左邊墻腳探測線、左邊墻探測線、拱頂探測線、右邊墻探測線、右邊墻腳探測線、底板中線探測線。

圖7 紅外探水測點布設示意圖

連續3 d在無水、無人工熱源的隧道側壁監測得到的多次紅外場強基準值為337 mW/cm2。紅外探水預報距離為 25 m，故本次報告探測范圍為ZK15+527～ZK15+502段?，F場紅外探測數據記錄如表 1所示。

表1 掌子面紅外探水結果

注：每行數據都由掌子面由左向右測得，單位均為mW/cm2

由表1可見，掌子面上36個測點的縱向、橫向監測最大差值均大于910 mW/cm2，可以判定掌子面前方有水。

圖8 沿隧道走向紅外探測數據記錄曲線

根據紅外線場強值與距掌子面距離關系曲線圖8分析，靠近掌子面附近，6條曲線均呈現較大幅度波動，表明掌子面附近25 m范圍內存在異常場，推測掌子面前方25 m范圍內有水存在。

3.4 開挖驗證

當隧道掌子面開挖至ZK15+515時，在掌子面的右下方果然出現溶洞，掌子面上揭示的溶洞形態如圖9所示。后經擴大洞口勘探查明，該溶洞的走向與隧道軸向基本一致，溶洞底板低于隧道開挖底板約2 m，溶洞最大高度約8 m，最大寬10 m，長約32 m，溶洞整體呈底部寬上部尖的倒置漏斗形態，溶洞底部被約1.8 m厚度的淤泥和水充填。

在隧道施工過程中，采用綜合超前地質預報的方法，預報中的溶洞同實際隧道開挖揭示的位置、規模、形態和充填情況基本吻合。

圖9 溶洞形態

4 結 語

總結分析了各種常用的超前地質預報方法優缺點，在巖溶隧道中繼承、發展前人超前地質預報的思想，提出針對不同隧道地質條件，劃分不同等級地段，結合地質情況合理采用不同的物探手段對掌子面前方的地質情況進行綜合地質預報的方法。

綜合超前地質預報技術和方法適合復雜地質條件下巖溶隧道的超前地質預報工作，在堅持長短結合、地質與物探結合、合理搭配、貫穿全程的基本原則下能很好的預報掌子面前方巖溶的位置、規模、形態和填充情況。

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