綜合超前地質預報在隧道施工中的應用探討

王利偉，徐永明

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

隨著我國基礎建設事業的快速發展，山區長大、深埋隧道工程數量越來越多，隧址區的工程與水文地質條件存在很多不確定性。在隧道開挖過程中，塌方、突水、突泥時有發生，施工安全無法得到保障，財產損失慘重，工期無法保證，給工程造成巨大的損失。隧道超前地質預報可以探明工作面前方一定范圍內的地質情況，提前做好相應防范措施，因此，隧道超前地質預報為隧道安全施工發揮很大的作用。目前，超前地質預報的常用方法有地質調查法、超前鉆探法、物探法、超前導坑法。而在實際預測過程中，每種方法都有局限性，甚至部分預報方法存在失真現象，導致預報成果的誤判。因此，在預報過程中，應根據隧道的工程地質與水文地質條件、地質因素對隧道施工影響程度及誘發環境問題的程度等，對隧道分段進行地質復雜程度分級。隧道地質復雜程度分級是動態變化的過程，可根據開挖過程中的超前地質預報成果和實際地質情況進行動態調整。根據不同的地質復雜程度分級，針對不同類型的地質問題，選擇不同的方法和手段進行綜合超前地質預報。

1 隧道超前地質預報方法

隧道超前地質預報方法一般包括地質調查法、超前鉆探法、物探法和超前導坑法。

1.1 地質調查法

地質調查法包括隧道地表補充地質調查、洞內開挖工作面地質素描和洞身地質素描、地層分界線及構造地下和地表相關性分析、地質作圖等。地質調查法是綜合預報中最基本的方法，適用于各種地質條件下隧道的超前地質預報。在人員選擇上，須選擇一些地質經驗豐富的人員，指導隧道超前地質預報和隧道施工。

1.2 超前鉆探法

超前鉆探法包括超前水平鉆探、加深炮孔探測及孔內攝影。超前水平鉆探是最直接、最直觀的一種探測手段。預測距離一般30～50 m，適用于各種地質條件下的隧道超前地質預報，在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發育區、煤層瓦斯發育區、重大物探異常區等地質條件復雜地段采用。由于超前水平鉆探對施工干擾較大，且成本較高，在一般地段不宜采用。

加深炮眼的預測距離為3～8 m，適用于各種地質條件下隧道的超前地質探測，尤其適用于巖溶區。加深炮眼對施工干擾較小，且易于操作，對于解決圍巖局部地下水發育、巖溶發育區等作用較大。在布設加深炮眼時，應結合地質素描，易布置在破碎帶最先揭露處，巖溶區應全斷面布置。

1.3 物探法

物探法包括彈性波反射法(地震波反射法、水平聲波剖面法、負視速度法和陸地聲納法等)、電磁波反射法(地質雷達探測)、紅外探測、高分辨率直流電法。TSP探測為彈性波發射法中最常用的一種。TSP的探測和預報距離遠，約100～200 m，對隧道隧洞施工影響很少(鉆孔和測試均在隧道隧洞側壁進行，洞內探測時間僅用45～60 min)，抗干擾能力強(除了打鉆、放炮以外，基本不受干擾)。但對于查清2 m以下的不良地質體，探測緩傾角斷層和溶洞效果不明顯，對于小溶洞和充填性溶洞更是無法探測。地質雷達探測距離一般不超過30 m，在可溶巖地區，多采用地質雷達進行巖溶探測。

1.4 超前導坑預報法

超前導坑預報法包括平行超前導坑法、正洞超前導坑法等。

不同的預報方法有不同的適用范圍，在超前地質預報中，應采用適合相應地層的預測方法，對前方不良地質體進行準確的預測，指導隧道施工。根據預報對象的特點，采用幾種有效地預報手段進行相互印證的預報方法稱為綜合超前地質預報。綜合超前地質預報法預測準確性很高，避免了各個預報手段的缺點，而綜合超前地質預報需要經驗豐富的專業人員進行預報方案的設計，合適的預報方法能保證預報的準確性，避免采用錯誤的預測方法，從而減少對施工的影響。

2 超前地質預報的主要內容和工作方法

超前地質預報應包括地層巖性的預測，特別是對軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土的預測;地質構造的預測，特別是對斷層、節理密集帶、褶皺軸等影響巖體完整性的構造發育情況的預測;不良地質的預測，特別是對巖溶、人為坑洞、瓦斯等發育情況的預測;地下水的預測，特別是對巖溶管道水及富水斷層、富水褶皺軸、富水地層中的裂隙水發育情況的預測。

實施超前地質預報應全面了解隧址區地質情況，分析和掌握存在的主要工程地質問題、主要地質災害隱患及其分布范圍，確定地質復雜程度分級，確定重點預報地段，根據預報實施工作中掌握的地質情況，及時調整隧道區段的地質復雜程度分級、預報方法和技術要求。采用綜合超前地質預報時，應將各預報手段所獲得的資料進行綜合分析和判斷，提高預測準確性。

對于斷層的預報，根據區域地質資料、工程地質平面圖與縱斷面圖以及必要的地表補充地質調查，進一步核實斷層的性質、產狀、位置與規模等。采用彈性波反射法確定斷層在隧道內的大致位置和寬度。必要時采用紅外線探測、高分辨直流電法探測斷層帶地下水的發育情況，必要時采用超前水平鉆探預報斷層的確切位置和規模、破碎帶的物質組成及地下水的發育情況等。采用隧道內地質素描、加深炮眼、斷層趨勢分析等手段預測斷層的分布位置。

對于巖溶預報，根據區域地質資料，研究隧址區巖溶發育規律，根據隧道內地質素描結果，驗證、調整地質復雜程度分級和超前地質預報方案，根據地質條件，可采用彈性波反射法進行長、中長距離探測，以探明規模較大、可足以被探測的巖溶形態;采用地質雷達進行短距離探測，以查明巖溶位置、規模和形態。根據地質復雜程度分級、地質素描、物探異常帶進行超前地質鉆探預報和驗證，對富水巖溶發育地段，超前地質鉆探必須連續重疊式進行。巖溶區必須進行加深炮眼探測。

3 應用實例

3.1 實例1:斷層預測

3.1.1 地層巖性及斷層概況

加里東期花崗巖，中—細粒結構，塊狀構造，裂隙較發育，巖體較完整，基巖裂隙水不發育，巖質堅硬，為后期侵入巖。斷層與洞身處大角度相交，相交里程為DK0+940，斷層產狀為 320°∠75°，屬擠壓逆斷層，斷層段落圍巖地質復雜程度為較復雜。

3.1.2 預報方案

通過TSP初步控制斷層位置，再通過地質素描驗證TSP探測結果，結合加深炮眼探測前方軟弱層及水文情況，根據現場地質素描、加深炮眼及TSP探測報告，進行斷層的初步判斷，必要時采用水平鉆探進行探測。

3.1.3 方案實施

(1)TSP探測

TSP探測結果(圖1)，DK0+864～DK0+882段初步推斷為該段圍巖巖體破碎，節理裂隙發育，圍巖完整性一般，巖質較軟，地下水不發育，DK0+890～DK0+915段初步推測為該段圍巖巖體較破碎，節理裂隙較發育，地下水不發育，圍巖自穩性差，易塌方。

(2)地質素描及加深炮眼預測

在隧道開挖至DK0+850時，掌子面巖性為花崗巖，節理裂隙較發育，巖體較完整，掌子面中部見節理發育密集帶，帶寬約 0.5 m，產狀 350°∠80°。考慮DK0+864～DK0+882段可能巖體破碎，結合區域資料，于掌子面連續布置6 m加深炮眼，搭接長度2 m，在隧道開挖至DK0+885時，掌子面巖性為花崗巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，在隧道右上側施作加深炮眼時，在鉆進4 m后，風槍鉆進速度很快，無水，可以推斷出DK0+889處為斷層。要求施工單位改變施工工法，按V級圍巖施工。如風槍鉆孔內發現有水，應采取超前水平鉆探，排除突水、突泥后方可施工。

在隧道開挖至DK0+888時，掌子面右側揭露為斷層泥，硬塑，無水，掌子面左側為花崗巖，巖體較完整。現場測量斷層產狀為305°∠73°根據TSP分析結果，DK0+888～DK0+920為斷層破碎帶。綜合考慮，預報成果如圖2所示。

3.1.4 開挖驗證

隧道開挖揭示圍巖如下:DK0+888至DK0+918為斷層，斷層產狀為310°∠72°，寬度為28 m，見少量基巖裂隙水。預測斷層位置與實際位置相差2 m，基巖裂隙水預測準確，預報準確性滿足施工開挖的要求。

TSP探測 DK0+864～DK0+882，DK0+890～DK0+915為斷層，而開挖揭示僅DK0+888～DK0+915為斷層，單采用TSP探測結果是不可信的，采用綜合超前地質預報能準確的預測斷層。

圖1 TSP成果展示

圖2 預報綜合成果

3.2 實例2:巖溶預報

3.2.1 地質特征

隧道洞身地層為寒武系灰巖、泥灰巖，強—弱風化，薄—中層狀，巖體破碎—較完整，節理裂隙較發育，溶洞較發育。，同時本段隧道洞身埋深20～40 m，受地表影響較大。本段落圍巖地質復雜程度為較復雜。

3.2.2 預報方案

本段主要為可溶巖，需探明巖溶在隧道內的分部位置、規模、充填情況及巖溶水的發育情況。通過地質雷達查找溶洞可能發育的位置和規模，地質素描詳細描述溶蝕發育程度，加深炮眼驗全斷面查找溶洞。對于溶洞發育段落須通過超前水平鉆探確定前方的溶洞發育程度及充填物，排除突發性地質災害，然后根據預報成果進行超前支護，在確保施工安全的情況下，進行隧道的開挖。

3.2.3 方案實施

(1)地質雷達預測

通過采用地質雷達(圖3)進行預測預報結果:DK6+003～DK5+993，灰巖，巖體破碎，節理裂隙發育，溶洞發育。DK5+983～DK5+980，灰巖，巖體破碎，節理裂隙發育，溶洞發育。DK5+980～DK5+975，灰巖，巖體較破碎，節理裂隙較發育，溶洞弱發育。

圖3 地質雷達圖像

(2)地質素描及加深炮眼

在隧道開挖至DK6+005時，揭示為灰巖，弱風化，巖體較完整，節理裂隙較發育，見少量基巖裂隙水，見輕微溶蝕現象。在施作加深炮眼過程中，技術人員進行旁站，發現DK6+003處右上側風槍鉆進速度明顯加快，初步判定為溶洞。停止隧道掘進，待通過水平鉆探驗證后，方可施工。

(3)超前水平鉆探預測

為進一步探清溶洞的發育規模及方向，在掌子面上斷面布置3個鉆孔，鉆探顯示溶洞發育。根據鉆探結果繪制展示圖(圖4)。

圖4 地質展示

3.2.4 開挖驗證

通過綜合預報方法，特別是超前鉆探，確定了溶腔規模大小，溶洞充填物主要為粉質黏土及塊石，地下水不發育。因此，現場采取長管棚周邊注漿處理該段溶腔。

本段開挖揭示為溶洞發育強烈，發育走向為30°，溶洞充填物為粉質黏土及較多塊石，見少量基巖裂隙水。與預報成果基本一致。地質雷達DK6+003～DK5+993、DK5+983～DK5+980溶洞發育，而開挖揭示DK6+003～DK5+965段溶洞發育，且探測具體位置不準確。通過地質素描與超前水平鉆探的預報和驗證，綜合預報，對溶洞的發育進行了準確的預測。

4 結語

在綜合超前地質預報中，關鍵是進行預報方案的設計。首先熟悉區域地質資料和地質勘察報告，針對不良地質體的特征，進行地質復雜程度分級，選擇合適的預報方法。對于地質條件簡單段落，采用地質素描和一般炮眼即可，如地質素描時發現異常，應采用其他預報方法。對于較復雜的斷層，采用TSP、地質素描、加深炮眼，根據斷層的突水突泥的可能性，必要時采用超前水平鉆探。對于較復雜的溶洞，主要采用地質雷達、地質素描、加深炮眼，根據溶洞發育程度，必要時采用超前水平鉆探。

綜合超前地質預報在預報過程中，有選擇的采用幾種有效的預報方法。即節省費用、省時、又減少對施工的干擾，并能保證預報的準確性及隧道安全施工。

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