隧道施工中溶洞超前地質預報技術探討

姜洪亮，張紅波，

(1.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007;

2.廣西道路結構與材料重點實驗室培育基地，廣西南寧530007)

隧道設計和施工前的工程地質勘察，雖然在一定程度上對隧道的地質狀況進行了預測、預報，但由于隧道地質條件的復雜、勘察經費少，特別是建設周期越來越短，勘察周期短，因此很多時候難以對隧道所處工程地質、水文地質條件特別是不良地質體的分布、性質及致災可能性完全查清。因此加強隧道施工地質超前預報工作是非常必要的。

1 超前地質預報方法

超前地質預報方法有很多種，按照探測原理可分為直接法、間接法及其它方法。直接法有地質法和鉆孔探測法。間接法亦稱物探法，主要有隧道地震超前預報系統(TSP)、水平聲波剖面(HSP)法、陸地聲納法、地質雷達(GPR)法和紅外探水法等。其中以地質法為基礎，以超前鉆孔法、超前導坑法、地球物理探測方法等為輔助手段的隧道綜合地質超前預報方法，也已得到隧道工程施工人員的認同。

地質法是隧道地質超前預報采用的一種基本方法。在隧道施工階段根據隧道施工期掌子面地質條件變化，結合地表地質調查與地質勘察結果，采用相關分析對隧道的地質情況進行超前預報。地質法隧道施工期地質超前預報是任何其它隧道施工期地質超前預報方法的基礎。

超前導坑法是根據超前施工的平行隧道或導坑所遇地質情況，推測掌子面前方的地質情況，它是隧道施工期地質預報的一種重要方法，特別是連拱式隧道和兩平行隧道間距較小時預報效果更好。

超前水平鉆孔是隧道施工期地質超前預報方法中最直接的方法。通過對鉆進速度測試和鉆孔巖芯的觀察及相關試驗獲取隧道掌子面前方巖石(體)的強度指標、地層巖性資料、巖體完整程度指標及地下水狀況等諸多方面的資料。采用這種方法不僅可以確定隧道掌子面前方地質情況，而且可以起到探水的作用。

地球物理探測方法有很多種，包括聲波CT層析成像法、波反射法、高密度電法、瞬變電磁法、紅外線探水等。目前在隧道超前地質預報中使用較普遍的是波反射法，主要利用聲波、超聲波、地震波及電磁波在地層中傳播、反射，通過信號采集系統接收反射信號，判釋隧道掌子面前方反射界面(斷層、軟弱夾層等)距隧道掌子面的距離來進行隧道施工期地質超前預報。

近10多年來，聲波反射法(HSP)、地震波反射法(包括負視速度法和TSP)、電磁波反射法(雷達)已廣泛應用于隧道施工期地質超前預報之中。

應該指出的是，聲波反射法隧道地質超前預報實際上是對隧道施工掌子面前方不良地質體分布界面位置的預報，不良地質體性質的預報必須結合隧道施工地質工作成果和預報人員豐富的地質工作經驗來實現。

2 工程實例

2.1 四方山隧道地質概況

欽崇高速公路四方山隧道圍巖穿越地層為三疊系下統羅樓群(T11)灰巖、砂巖，二疊系上統茅口組)和上統合山組與大隆組并層)灰巖。根據地質勘察了解，四方山隧道位于復式背斜之中，巖體傾角20°～30°，屬單斜構造。

2.2 四方山隧道超前地質預報方法

四方山隧道左洞ZK77+015附近圍巖為灰巖，斷裂破碎帶發育，地下水較豐富，前方為三疊系下統羅樓群(T11)灰巖與砂巖巖層交界處，擬采用地質分析法推理和TGP隧道地震超前預報系統相結合的方法進行超前地質預報。

2.2.1 地質分析法

本隧道施工開挖至ZK77+015時，根據地質勘察資料及掌子面跟蹤調查分析，掌子面前方圍巖為灰巖與砂巖巖層交界處，預報段前段圍巖為質純厚層灰巖，質純厚層狀灰巖巖溶易發育，由于此區段位于巖層交界處，沿層面的構造裂隙發育，為地下水的運動提供了空間，地下水不斷沿著巖石裂隙運移，對可溶巖進行化學溶蝕，形成空洞。通過地質分析我們可以得出預報區段為巖溶易發育地段。

2.2.2TGP隧道地震超前預報系統

針對本段采用地震波反射法對前方地質狀況的預報，采用TGP206型超前預報儀器對隧道進行了探測。

TGP隧道地震超前預報系統的震源點用少量炸藥激發產生，當地震波遇到巖石波阻抗差異界面時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號被高靈敏度的地震傳感器接收。數據通過TGPwin軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質體的性質、位置及規模。

本系統采用深度偏移使反射波基本能夠正確歸位，繞射波自動收斂，干涉帶自動分解，從而得到與掌子面前方地質構造原像極為接近的偏移圖像。以深度偏移分析為主，結合速度評估與反射極性圖、反射數據表可以得出比較準確的超前地質預報。

2.2.3 溶洞的地震波反射特性

隧道施工過程中遇到的溶洞可以分為充填型溶洞和無充填型溶洞，其中充填型溶洞可分為泥夾石充填型溶洞、軟弱夾泥充填型溶洞和地下水充填型溶洞。它們有各自的地震波反射特點。

泥夾塊石充填型溶洞深度偏移圖中正負反射層數量因充填物內塊石粒徑和含量的差異而不同。當塊石粒徑和含量大時，正負反射層較多而雜亂，以負反射為主，單個反射條帶較窄、延伸性較差。

軟弱夾泥充填型溶洞地震波縱波反射強，如果富水性強，橫波反射也強。反射極性以強的負反射開始，以強的正反射結束，深度偏移圖反射帶內正負反射層少、正負相間、以負反射為主，單個反射條帶寬、延伸性好。

地下水充填型溶洞縱橫波反射都較強，但橫波反射明顯較縱波反射強。

無充填型溶洞的探測難度較大。當溶洞邊界較平滑、邊界法向與隧道軸線小角度相交時，深度偏移以強的負反射開始，以強的正反射結束，反射帶內正負反射層少、正負相間、以負反射為主。若溶洞邊界有一定的橫向延展性，但不夠平滑且邊界法向與隧道軸線大角度相交，或溶洞邊界法向垂直于隧道軸線，則縱橫波反射較弱，深度偏移不明顯，反射層短小，縱橫波速下降不明顯，不易引起注意。

2.3 預報結論及現場驗證

本工程TGP206預報結果見速度評估與反射極性圖及深度偏移圖見圖1～圖4。

結合地質狀況對探測成果的分析，可以將本工程項目掌子面前方圍巖分為三個區段:

圖1 速度評估及反射極性圖

圖2 P波型偏移圖

圖3 SH波型偏移圖

圖4 SV波型偏移圖

(1)K77+015～K77+038段為泥夾石充填型溶洞。從偏移圖可以看出反射帶內正負反射層層較多而雜亂，以負反射為主，且單個反射條帶窄、延伸性較差，推測此區段為泥夾石充填型溶洞，且塊石含量較多，粒徑較大。

(2)K77+038～K77+088段為軟弱夾泥充填型溶洞。此段縱橫波反射很強。偏移圖以縱波強烈的負反射開始，以強烈的正反射結束，反射帶內正負反射層少、正負相間、以負反射為主，單個反射條帶寬、延伸性好。推測推測此區段為軟弱夾泥充填型溶洞，充填物富水。

(3)K77+088～K77+165段進入砂巖層。此段縱波反射很強。橫波反射較弱，深度偏移以強烈的正反射開始，推斷此段進入砂巖巖層，巖層交界附件位置含水量較大，后段含水量較少。

施工期揭露上述圍巖分段與預測基本一致，K77+015～036段為一處泥夾石充填型溶洞，充填物以粘土與塊石為主，塊石含量較多，且粒徑較大(見圖5)，K77+036～090段為軟弱夾泥充填型溶洞，充填物為黏土，且黏土含水量較大(見圖6)。

圖5 K77+025掌子面圍巖

圖6 K77+065掌子面圍巖

3 結束語

(1)運用超前地質預報技術來指導隧道施工是很必要的，它對隧道施工有指導性的作用，確保了施工的安全進行。隧道施工應把超前地質預報工作當作一個重要環節納入施工工序，同時結合隧道的實際地質條件，采取適當的地質預報方法。

(2)目前超前地質預報還存在著一些有待解決的問題有:

探測與施工難以并行。TGP超前預報系統，為了避免干擾，需要停止施工作業，才能取得較好的探測結果，而使施工不能得以進行，這將影響施工單位的施工進度與效益。

針對隧道探測環境較差的條件，如何排除干擾、提高信噪比，如何提高探測分辨率有待于進一步試驗研究。

圍巖揭露范圍小，難以觀其全貌，無法探測出溶洞的周邊位置，溶洞體積的大小。

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