綜合地質(zhì)預報在巖溶隧道施工中的應用

張九俊

（中鐵三局集團橋隧工程分公司，河北 邯鄲 056036）

在我國西南地區(qū)的崇山峻嶺深處，孕育著大量的巖溶、暗河，地質(zhì)學上稱之為喀斯特地貌。隨著我國西部大開發(fā)經(jīng)濟政策的調(diào)控，一批新建鐵路、公路等交通動脈穿越于喀斯特地貌山脈，而大山深處的巖溶、暗河內(nèi)充填的大量淤泥、砂石以及湍急的流水給隧道施工帶來極大的安全風險。如何對隧道前方不良地質(zhì)作出準確預報，提前采取措施以降低安全風險，是我國西部山嶺隧道施工風險管理的一個重點。

在黔桂鐵路銀洞坡隧道施工中采取的綜合超前地質(zhì)預報取得了很好的效果，成功地預報和化解了幾處風險極高的巖溶風險。現(xiàn)對綜合超前地質(zhì)預報在銀洞坡隧道中的應用進行總結，為類似隧道工程提供參考。

1 工程概況

銀洞坡隧道位于貴州省都勻市與貴定縣境內(nèi)，全長8 516 m，是黔桂鐵路最長的隧道。銀洞坡隧道下穿斗蓬山脈，緊鄰都勻市著名景區(qū)四方灘，隧道穿越范圍內(nèi)巖溶、暗河發(fā)育，是典型的喀斯特地貌。隧道單線單洞，平行導坑輔助施工。在施工過程中，針對復雜的高風險地質(zhì)情況，主要采取TGP12遠距離超前地質(zhì)預報為主導，紅外線探水、超前地質(zhì)探孔核實及卸水減壓相結合的方法，綜合分析治理，順利通過了四處較大巖溶暗河和一處F4招擺斷層。

2 綜合超前地質(zhì)預報采用的方法

2.1 TGP12長距離超前地質(zhì)預報

2.1.1 檢測原理

TGP（Tunnel GeologyPrediction的英文縮寫）法是利用地震波反射回波方法測量的原理。地震波震源采用小藥量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，炸藥設置在隧道邊墻的風鉆孔中，通常20個炮孔布置成一條直線。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右壁各布置一個。地震波在巖石中以球面波形式傳播，當?shù)卣鸩ㄓ龅綇椥圆ㄗ杩共町惤缑鏁r，例如，斷層、巖體破碎帶、巖性變化或巖溶發(fā)育帶等，一部分地震信號反射回來，另一部分信號透射進入前方介質(zhì)繼續(xù)傳播。反射的地震波信號被靈敏度高的地震檢波器接收。反射信號的傳播時間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比。因此，通過測量直達波速度、反射回波的時間、波形和強度，可以達到預報隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的。在一定間隔距離內(nèi)連續(xù)采用上述方法，結合施工地質(zhì)調(diào)查，可以得到隧道圍巖的地質(zhì)力學參數(shù)，如彈性模量、剪切模量和泊松比參數(shù)等。現(xiàn)場工程技術人員結合相關的地質(zhì)資料可以準確地預知前方及周圍地質(zhì)變化狀況。

2.1.2 檢測儀器簡介

TGP12隧道地質(zhì)超前預報系統(tǒng)是北京市水電物探研究所專門為隧道及地下工程施工超前地質(zhì)預報研制開發(fā)的技術成果，已經(jīng)經(jīng)過國內(nèi)著名隧道專家組評審，鑒定結果為具有國際先進技術水平。

TGP12隧道地質(zhì)超前預報系統(tǒng)有效探測距離為200 m，由儀器主機、配件和處理軟件三部分組成，如圖1所示。

2.1.3 探測方法

①采用黃油耦合，定向安置孔中三分量檢波器；②記錄檢波器孔、距離檢波器最近的炮孔和隧道掌子面的線路里程樁號，以及各炮孔間的距離，將以上數(shù)據(jù)填寫在《TGP現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄表》中；③爆破孔藥量控制在50～70 g，采用計時線炸斷的觸發(fā)方式，在孔中灌滿水的條件下激發(fā)，按序依次起爆和進行數(shù)據(jù)采集。工作中對測線布置段至隧道掌子面間的隧道圍巖進行地質(zhì)描述，以利于資料解釋。如圖2-圖5所示。

圖1 TGP12隧道地質(zhì)超前預報儀器圖

2.2 紅外線探水

2.2.1 探測原理

任何物體都會發(fā)射紅外線，形成一個紅外場。將一個穩(wěn)定的質(zhì)體作為探測對象的場源時，由該物體所形成的紅外場的強度與場源本身的場強相一致。如果地質(zhì)體中含地下水，那么地下水場源產(chǎn)生的紅外場會對地質(zhì)體場源所產(chǎn)生紅外場產(chǎn)生影響，使其場強發(fā)生變化。地質(zhì)體所形成的紅外場場強變化可用紅外線探測儀探測。根據(jù)圍巖紅外場強的變化來預報掌子面前方或洞壁四周是否隱狀含水體。

2.2.2 探測儀器及方法

圖2 TGP12探測前方地質(zhì)示意圖

圖3 TGP12地震波反射立體示意圖

圖4 TGP12地震波反射平面示意圖

圖5 前方地質(zhì)分析示意圖

銀洞坡隧道施工采用HY-303紅外探測儀，有效探測距離30 m，探測中對隧道洞壁按拱頂、左右拱線、左右邊墻、隧底6條測線按5 m一個斷面進行探測，根據(jù)收集到的紅外場強度值繪制折線圖，通過折線變化分析，推斷洞壁四周存在巖溶水、裂隙水的可能性；同時對掌子面分9個矩陣板塊，通過收集到的不同紅外場強度值，推斷掌子面前方存在巖溶水、裂隙水的可能，對異常區(qū)域重點鉆孔探測，揭示前方準確地質(zhì)情況。

2.2.3 超前地質(zhì)探孔

超前地質(zhì)探孔是利用地質(zhì)鉆機對前方異常地段鉆探取芯，直觀地揭示前方地層地質(zhì)條件，并對前方巖溶、暗河鉆孔聯(lián)通，卸壓減載，降低和分解風險。超前地質(zhì)鉆探有效范圍為30～50 m，施工時，一般采用30 m.

3 應用實例

3.1 DK476+960淤泥溶腔段

3.1.1 TGP12長距離超前地質(zhì)預報

在銀洞坡開挖掌子面里程至DK476+800的一次地質(zhì)預報時，預報顯示DK476+950～DK476+975段線路左側異常明顯，之后對該區(qū)域加大探測密度，在開挖掌子面里程至DK476+900時又進行了一次驗證探測，兩次探測分析示意如圖6所示。

圖6 里程DK476+900兩次探測分析示意圖

在第一次長距離地質(zhì)預報顯示前方150 m處地質(zhì)異常后，地質(zhì)預報工作和隧道開挖進入預警狀態(tài)，在隧道開挖掌子面距異常區(qū)域50 m處時，再次進行TGP12地質(zhì)預報探測驗證，經(jīng)驗證確認前方區(qū)域地質(zhì)異常。

3.1.2 紅外線探水

隧道施工最大的風險是突泥突水。因此，要重點對隧道前方及周邊30 m范圍內(nèi)含泥水構造探測。在TGP12預報驗證前方地質(zhì)異常明顯后，立即加強前方紅外線探水監(jiān)控，每掘進5 m進行一次紅外探測。在開挖掌子面DK476+935處紅外探測顯示隧道前方左側拱線處異常較明顯，紅外探測數(shù)據(jù)折線如圖7所示。

圖7 掌子面DK476+935紅外探測數(shù)據(jù)折線圖

從紅外探測數(shù)據(jù)折線圖顯示，拱頂、左拱線在隧道前方異常非常明顯，前方泥水構造突出，需進行更直觀的探測，采用Φ105mm地質(zhì)鉆機取芯探測。

采用地質(zhì)鉆機取芯鉆探后，再鉆進25 m，即DK476+960處鉆頭進入軟泥層中，之后鉆進12 m后即DK476+972處鉆頭再次進入完整巖層，證明在隧道左側DK476+960～DK476+972段為溶腔，溶腔內(nèi)充填淤泥。經(jīng)一系列綜合探測預報后，對前方地質(zhì)有了較為直觀的判斷，隨后采用擴大鉆孔釋放泥漿和壓力，在到達溶腔前已排除突泥隱患，保證了開挖的安全，隧道開挖后揭示溶腔如圖8所示。

圖8 隧道開挖后揭示溶腔圖

3.2 DK477+775積水溶腔段

3.2.1 TGP12長距離超前地質(zhì)預報

在銀洞坡開挖掌子面里程至DK477+600的一次地質(zhì)預報時，預報顯示DK477+760～DK477+800段線路左右兩側異常明顯，之后對該區(qū)域加大探測密度，在開挖掌子面里程至DK477+700時又進行了一次驗證探測，兩次探測分析示意如圖9所示。

在第一次長距離地質(zhì)預報顯示前方160 m處地質(zhì)異常后，地質(zhì)預報工作和隧道開挖進入預警狀態(tài)，在隧道開挖掌子面距異常區(qū)域60 m處時再次進行TGP12地質(zhì)預報探測驗證，經(jīng)驗證確認前方區(qū)域地質(zhì)異常。

圖9 里程DK477+700兩次探測分析示意圖

3.2.2 紅外線探水

在TGP12預報驗證前方地質(zhì)異常明顯后，立即加強前方紅外探水監(jiān)控，每掘進5 m進行一次紅外探測，在開挖掌子面DK477+740處紅外探測顯示隧道前方拱頂、左右拱線、左右邊墻處異常均非常明顯，紅外探測數(shù)據(jù)折線如圖10所示。

圖10 掌子面DK477+740紅外探測數(shù)據(jù)折線圖

從紅外探測數(shù)據(jù)折線圖顯示，在隧道前方除隧底外異常非常明顯，拱頂部分尤其突出。這證明前方自隧底向上泥水構造突出，且泥水構造體積較大，可能會有較大壓力，隧道突泥突水風險極大，需進行更直觀、更穩(wěn)妥的探測，采用Φ105 mm地質(zhì)鉆機取芯探測。

按照可能存在的泥水構造位置，在隧道拱頂采用地質(zhì)鉆機取芯鉆探，在鉆進30 m即DK477+770處隧道地質(zhì)仍非常完整，考慮TGP12探測和紅外探測的突出異常情況，采用了加長鉆桿繼續(xù)鉆進方案，在鉆進5 m后即DK477+775處有高壓水順鉆桿竄出，撥出鉆桿后鉆孔水柱射出掌子面約12 m，如圖11所示。

圖11 鉆孔水柱射出圖

根據(jù)水柱射出距離，經(jīng)計算推測前方含水構造的承壓水頭至少30 m，決定采取放水卸壓的保守處理方案。溶腔內(nèi)積水自Φ105mm地質(zhì)鉆孔后連續(xù)噴射72h，初步計算總流量達26000m3，之后水壓變小，射出的水柱逐漸變更流淌狀。在原探孔下部增加了5個鉆孔加大卸水進度，并將水位下降至隧底處。

圖12 前方溶腔揭示后溶腔圖

在排除前方溶腔水壓力后，中導洞超前的開挖方式，將前方溶腔全部揭示，揭示后溶腔如圖12所示。

4 結束語

第一，TGP12長距離地質(zhì)預報對隧道前方200 m范圍內(nèi)較大構造如泥水深腔、暗河、軟弱破碎帶等有突出的異常反映，在預報顯示明顯異常時，前方必然有不同于現(xiàn)地質(zhì)的構造，應加以驗證，并采用更為直觀的探測方式繼續(xù)驗證，直到揭示出來為止。

第二，隧道施工風險最大的是突泥突水，特別是較大構造物，提前準確判斷出構造的性質(zhì)、位置、規(guī)模是消除風險的有效手段。

第三，紅外線探測對周邊30 m內(nèi)明顯的含水構造有較為突出的異常反映，且含水規(guī)模越大、水越呈流態(tài)，其反映越明顯。

第四，經(jīng)以上幾種方式對隧道前方圍巖定性后，通過鉆孔探測準確揭示，能夠較為徹底地消除風險，也是最直觀的探測預報方式。

長距離地質(zhì)預報雖能宏觀地對隧道前方不良構造進行反映，但精度還不夠準確。紅外線探水和鉆孔探測有效距離仍然較小，開始探測時間過早則影響其精度和效果，過晚則會錯過安全范圍，產(chǎn)生較大風險。準確地結合以上幾種探測預報方式，是有效消除風險的關鍵，也是以進一步進行課題研究的方向。

[1]王夢恕，等.中國隧道及地下工程修建技術[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]齊 .隧道地質(zhì)超前預報技術與應用[M].北京：氣象出版社，2010.