綜合超前地質預報在鴨咀巖2號隧道中的應用

智 剛 劉得璽

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

鴨咀巖2號隧道在風險等級評估中屬于一般風險隧道，隧道施工很多依靠前期設計勘查資料和施工經驗進行判斷分析，在地質情況稍復雜情況下，施工技術人員很難準確判斷隧道掌子面前方的地質情況，致使在施工過程中可能出現坍塌和突水等現象，給隧道安全施工帶來困擾。由于當前勘察技術手段和方法技巧的限制，加上地質體的復雜多變，期望在勘察階段完全查明隧道巖體的特性，準確地預測隧道施工中可能發生地質災害的位置、性質和發育規模十分困難。鴨咀巖2號隧道進口段白云質灰巖溶蝕、溶洞中等～極發育，安全開挖進口巖溶發育段是重中之重(見圖1)。本文以鴨咀巖2號隧道進口巖溶段為例，講述隧道開挖所采用綜合超前地質預報手段在巖溶探測中的應用及如何根據各種預報手段的預報結果，結合補充勘察和開挖揭示地層信息進行綜合分析，得出綜合成果報告，從而準確的指導隧道安全施工。

1 工程概況

鴨咀巖2號隧道全長3 150 m，起止里程為DK342+340～DK345+490，隧道進口段隧址區位于灰巖巖溶發育區，溶蝕、溶洞中等～強烈發育，突泥、涌水的風險性較大［1］。

1.1 水文條件

根據隧道通過區出露的地層巖性及地質構造特征，結合含水介質的不同，此處地下水類型主要分為松散堆積層孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、基巖裂隙水和構造裂隙水。隧道洞身地表處有若干條沖溝，沖溝內為季節性流水，補給條件較好，地下水發育。設計最大單位涌水量 q0=100 m3/(d·m)［1］。

圖1 鴨咀巖2號隧道進口

1.2 地層及構造地質

1.2.1 地層巖性

鴨咀巖2號隧道DK342+340～DK342+290段洞身穿過石炭系中上統(C2+3)弱風化白云質灰巖，巖層產狀35°∠31°，受構造影響嚴重，圍巖呈塊碎狀壓碎結構，溶蝕裂隙及溶洞極發育，存在涌泥、涌水可能;DK343+290～DK345+490段洞身穿過白堊系上統(K2)弱風化泥質粉砂巖、粉砂巖，巖層產狀345°∠49°。

1.2.2 地質構造

鴨咀巖2號隧道共有F1，F2，F3三條斷層穿過隧道洞身，本段處于F1斷層的斷層破碎影響帶，受構造影響嚴重，巖體破碎。

2 超前地質預報技術應用手段

鴨咀巖2號隧道采用的主要預報方法可分為設計階段勘測資料結合現場的地表調查、TSP地震波預報法、掌子面超前鉆探取芯預報、紅外探測及掌子面地質編錄預測等。

2.1 地質素描

素描的主要內容包括地層巖性、構造發育情況、地下水狀態、圍巖穩定性及初期支護方法等。地質素描法預報不占用施工時間，設備簡單，不干擾施工，出結果快，預報的效果好，而且為整個隧道提供了完整的地質資料［3］。圖2，圖3是鴨咀巖2號進口端開挖的兩張掌子面地質素描圖，從地質素描圖可以分析出從DK343+090.8～DK343+110段，掌子面圍巖由強風化的灰巖逐漸過渡到強～全風化灰巖為主，巖體破碎。

圖2 DK343+090.8掌子面照片和素描圖

圖3 DK343+110掌子面照片和素描圖

2.2 TSP地震波探測法

鴨咀巖2號隧道進口TSP炮孔成率高，炮孔距上臺階面20 cm，角度下傾10°左右?，F場沒有噪聲、振動等干擾現象，為分析報告準確性提供了保障。現場TSP接收器位置在DK343+002，掌子面位置為DK343+051.6，實際激發23炮，現場接收數據較為理想，可用于數據處理和解釋，探測范圍為DK343+051.6～DK343+200。根據TSP的探測結果、圖4所示的2D巖土參數曲線圖和圖5所示的2D成果顯示圖推測出的分析結果見表1［4］。

圖4 巖土參數變化圖

圖5 2D成果顯示圖

2.3 超前鉆孔

為進一步探明鴨咀巖2號隧道進口DK343+119掌子面前方的地質情況，采用超前水平鉆孔，鉆機類型為RPD-180型鉆機，現場鉆孔照片和取芯照片見圖6，圖7，鉆孔總延米64.0 m，鉆孔位置及參數如表2，圖8所示。

表1 初步探測結果

圖6 現場鉆孔圖

圖7 現場取芯圖

圖8 鉆孔布置圖

表2 鉆孔參數表

通過本次超前鉆孔探測，判斷前方25 m地質情況如下:

DK343+119～DK343+138.5段圍巖為石炭系中上統(C2+3)白云質灰巖，巖溶發育，溶洞、溶腔、風化裂隙發育，充填少量黃泥夾碎石;DK343+138.5～DK343+144段圍巖為白云質灰巖，灰白，弱風化，屬硬巖，局部強風化，屬較軟巖;無水。此段巖溶溶洞呈串聯狀發育。具有代表性的3號鉆孔的柱狀圖如圖9所示。

3 綜合結論及實際開挖揭示情況

3.1 綜合結論

綜合各種預報方法的結論分析，推測DK343+090.8～DK343+200段，巖體逐漸由弱～強風化轉變為強風化～全風化，硬巖轉變為較軟巖、軟巖;從素描分析出方解石開始逐漸增多，表明此段的圍巖在歷史時期受到構造運動和溶蝕作用的影響，巖體破碎，巖體裂隙發育;其中DK343+119～DK343+138.5段巖溶呈串聯狀發育，溶洞、溶腔、風化裂隙發育，溶蝕風化嚴重;整段地下水不發育，其中在DK343+197處有出水可能。其中 DK343+119～DK343+138.5段巖溶發育情況如圖10所示。

建議:DK342+090.8～DK343+200段巖溶發育，巖體破碎，巖質軟。在施工過程中應采取短進尺、弱爆破、加強超前支護措施，防止巖體的坍塌，確保隧道施工安全。為進一步探明溶洞的范圍，建議嚴格施工，做加長炮孔探測，以確保施工安全。

圖9 DK343+119掌子面ZK-03號鉆孔柱狀圖

圖10 DK343+119～DK343+138.5段巖溶發育示意圖

3.2 實際開挖揭示情況

DK343+119～DK343+135段隧道已開挖段揭示地層巖性為白云質灰巖，軟硬互層，呈黃褐色夾灰白色，強風化，節理裂隙較發育，巖體較破碎;地下水不發育;巖溶發育，掌子面拱頂、左側、右側發育溶洞、溶腔，拱頂溶洞自DK343+119段延伸至DK343+135段，向上高于開挖輪廓線2.5 m，向左橫向延伸約23.0 m，向右橫向延伸約19.0 m，溶洞內無充填物，無水，發育多條溶腔。圖11為現場開挖圖。DK343+158～DK343+198隧道已開挖段揭示地層巖性為灰巖，呈黃褐色夾灰白色，強風化，軟硬互層，節理裂隙發育，巖體破碎;地下水不發育;巖溶發育，掌子面拱頂左側溶蝕現象嚴重，發育溶洞、溶腔，溶洞體積高約4.5 m，寬約4 m，沿隧道走向發育，拱頂左側溶洞自DK343+177延伸至DK343+198，溶洞內充填少量粘土，無水，向上發育溶腔。

圖11 左側拱腰處溶洞

4 結語

在隧道施工過程中，運用各種超前預報方法來指導施工是重要且必要的，它使施工消除盲目性，并按科學規律指導施工，這已為有識之士所共識。有目的的綜合運用各種預報方法，通過信息的反饋不斷改進和選擇預報方法，使預報方法優化組合，可得到最佳的預報效果和經濟價值。超前地質預報工作中，由于巖溶發育的千變萬化，沒有規律性，所以針對巖溶的預報，是一個重點，更是一個難點。對技術人員的要求將越來越高，他們不僅要有大量的地質知識，還要掌握豐富的物探和鉆探經驗，把這些技能結合成知識體系，這才能真正做到對巖溶的準確預報［5，6］。

TSP探測法在隧道的預報中有相當重要的作用，可以大體上確定巖溶和斷層的位置，為施工提供可靠的建議，再結合鉆孔和紅外探測結果，更能做到有的放矢。超前地質預報的社會效益與經濟效益毋庸置疑，但超前鉆孔的連續施作，占用了較長的施工時間。通過隧道開挖過程中加深炮孔(5 m)的施作，既省時，又能大致查明隧道掌子面前方5 m的地質情況。加深炮孔和超前鉆孔的有機結合，更能利于隧道的安全快速施工。

［1］ 鐵道第三勘察設計院集團有限公司.鴨咀巖2號隧道勘察報告［R］.2010.

［2］ 趙 鵬，翟宸儇.超前地質預報在斗篷山隧道中的應用［J］.隧道建設，2011，31(sup):2.

［3］ 齊傳生，周振國，楊世武，等.超前地質預報指南(鐵建設［2008］105號)［Z］.

［4］ 袁真秀.TSP技術在廈深鐵路大南山隧道花崗巖地層開展超前地質預報工作的應用研究［J］.物探化探計算技術，2011(5):21-23.

［5］ 軍羨安.超前地質災害預報在桃花鋪二號隧道施工中的應用［J］.地下空間，2004(3):66-67.

［6］ 何發亮，李蒼松.隧道施工地質超前地質預報工作方法［J］.巖土力學，2006(10):53-54.

［7］ 商 琦.超前地質預報技術在隧道地質勘探中的應用［J］.山西建筑，2012，38(8):185-186.