巖溶隧道綜合地質預報系統研究

蔣月文，胡 義

(1.重慶能科工程勘察有限公司，重慶 400060;2.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

眾所周知，困擾隧道工程界最大的一個難題即為巖溶問題，隧道開挖過程中具有一定的隨機性，同時巖溶地質本身具有高度復雜性，在對巖溶隧道進行地質預報過程中，預報的準確率和可靠性很難得到保證。預報的準確率偏低往往給工程建設造成災害性損失。在地質條件復雜的巖溶地區，深長隧道施工面臨的風險更大，能夠準確地預報掌子面前方是否有充水巖溶、地下暗河等不良地質，以及這些構造的幾何形態、產狀、規模大小等，對于工程施工順利進行顯得極為重要。然而，在工程實際中，施工單位往往采用單一的技術手段進行地質預報，不同預報方法各有所長，同時又有著各自的局限性，因而探尋能夠建立系統的綜合地質預報方法，克服單一預報方法的局限性顯得尤其必要。

本文在分析各種地質預報方法的基礎上，結合多年地質預報經驗提出了巖溶隧道綜合地質預報系統，以期提高巖溶地區超前地質預報的精度，最大程度地減少地質災害造成的人員傷亡和財產損失［1－5］。

1 巖溶隧道地質超前預報方法

目前，國內外運用于巖溶地區隧道地質超前預報的方法主要有:地質調查分析法、超前水平鉆法、波反射法等［6］。

1.1 地質調查分析法

地質調查分析法主要包括斷層參數法、趨勢外推法、相關關系法等。主要從兩方面進行調查:一是對隧址區區域地質資料進行分析，根據隧道穿越地區巖層出露情況查明區域地層的地質年代、巖性、結構特征和地質構造等，進一步通過作圖及構造相關性分析，由地面出露的構造產狀對在隧道穿越深度位置進行推測。二是根據掌子面巖溶發育情況、巖體結構面產狀以及巖體破碎程度、巖石的變質程度等變化特征推測掌子面前面出現的構造及性質進行超前預報。預測隧道可能存在的不良地質現象的類型、部位、規模［7］。

1.2 超前水平鉆探法

在隧道施工掌子面進行超前水平鉆探，通過鉆速、巖芯采取率、鉆孔巖芯鑒定以及強度試驗來確定掌子面前方巖層的展布、巖體完整性、軟硬程度以及可能存在巖溶空洞的分布位置，以起到很好探水的作用，從而進行預報［8］。

1.3 紅外探水法

所有物體都會發射出肉眼無法看見的紅外線，這種紅外線的能量大小與物體發射率成正相關。物體組成成分和表面狀況決定發射率的大小。當隧道施工面前方及隧道周邊巖層單一時，接收到的紅外場為正常場，當前面存在含水構造或充水巖溶時，這些含水體產生的場強會在原有場上進行疊加，從而使正常場產生變化。通過測試這種紅外場的異常變化來對前方是否含有含水體進行預報。

1.4 地震波探測法

地震波探測法(TSP)是通過動力學參數(動態彈性模量、剪切模量、泊松比、密度、彈性縱波速度、彈性橫波速度等)對隧道掌子面前方的地質情況進行綜合評估，有利于及時預報隧道掌子面前方100～150 m及周圍10 m范圍內影響隧道施工質量和安全的不良(或特殊)地質問題。其主要查明的地質問題有:①軟弱巖層(包括含煤地層)的分布;②斷層及其破碎帶;③節理裂隙密集帶;④含水情況;⑤巖溶洞穴。

1.5 地質雷達法

地質雷達法是各種地球物理方法之中分辨率較好的方法，隧道超前地質預報中對地質雷達的運用非常廣泛。地質雷達法主要運用電磁波探測技術，根據發射和接收電磁波走時差，從而確定目標以及目標的形態和屬性，對施工面前方破碎帶充水溶腔等不良地質進行預報。

2 單一預報手段的局限性

2.1 地質分析法

通過洞內外地質調查獲得的信息對于進一步的預報工作起著非常重要的作用，但是要熟練地運用該方法必須具有扎實的地質基本功和豐富的地質經驗，其難度大于其他手段，且采用單一的地質分析法作出預報側重于宏觀的判斷，細微的局部災害難以精準預報。

2.2 超前水平鉆探法

在實際的運用過程中，由于巖溶的發育具有隨機性，超前水平鉆探在鉆進過程中僅憑一孔之見很可能避開充水巖溶，而造成誤判。同時僅憑鉆進情況很難分清巖溶規模形態各項特征。

2.3 紅外探水法

通過實驗研究紅外探水方法在理論上具有可行性，但紅外方法仍具有很大的局限性。首先在于探測距離較短，且非常容易受到洞內機械振動、洞內照明等干擾場的影響，采集的數據做出的判斷可能不與實際情況吻合。

2.4 地震波探測法

中國鐵路系統隧道施工過程中廣泛采用TSP技術，但該技術仍存在很多技術缺陷，主要表現在:①在數據分析過程中，過多的數據參數選取無直接理論、試驗依據，增大參數選取的隨機性，使得結果的不確定性和離散型較大;②易被巖層中對隧道正常施工影響不大的各種結構面影響，波的疊加干擾造成誤判，巖體波速的測試往往比實際情況偏高，易造成了很多誤報、漏報等情況。

2.5 地質雷達法

隧道地質雷達技術的應用缺陷在于:①電磁波的傳播過程中有較大的衰減，導致預報距離短;②在隧道所處的施工環境中抗干擾能力差。導致使反射圖雜亂而影響判斷;③雷達反射圖像的判釋難度較高，地質環境的復雜性使得難以建立簡單的方法準則，完全取決于判釋人員的素質和經驗。

3 巖溶隧道綜合地質預報系統

綜上所述，由于地質條件的復雜多變、隧道施工環境的干擾性以及人為因素的影響使得單一的技術手段要獲取完整精確的地質預報非常困難，要取得可靠的超前預報結果必須采取綜合方法，建立以地質分析法為基礎，多種物探方法為手段相互印證的綜合施工地質預報體系統［9－10］。在預報過程中充分利用洞內地質調查的結果，避免物探手段預報的盲目性，同時使用各種物探手段相互印證結果達到長短結合，精準預報。巖溶隧道綜合地質預報系統見圖1:

圖1 巖溶隧道綜合地質預報系統Fig.1 The system of integrated geologic prediction in karst tunnel

4 結語

目前巖溶隧道超前地質預報方法主要有地質調查分析法、超前水平鉆探法、紅外探水法、TSP法，地質雷達法等。

單一的預報手段由于受技術水平、隧道施工環境的干擾以及人為因素影響有著各自的局限性。

為了克服單一預報手段的局限性，應建立綜合施工地質預報系統。實施過程中以地質分析法為基礎和核心，各種物探方法和超前水平鉆探為手段，長、短期結合相互印證，取長補短，是改進隧道超前預報工作的唯一方法。應避免盲目選用單一的施工預報方法，在預報過程中做到準確、經濟、高效、及時。

［1］ 劉志剛.概論巖溶或地質復雜隧道地質災害超前預報技術［J］.鐵道建筑技術，2003(2):1－4.

［2］ 中華人民共和國鐵道部(鐵建設［2008］105號).鐵路隧道超前地質預報技術指南［Z］.

［3］ 何發亮，張玉川.隧道施工地質災害與不良地質體及其預報［M］.成都:西南交通大學出版社，2011.

［4］ 謝士宏，韓玉芳.構造形跡理論在斷層判別中的應用研究［J］.山東交通學院學報，2008，16(4):68 －72.

［5］ 李雋蓬，謝強.土木工程地質［M］.成都:西南交通大學出版社，2009.

［6］ 何發亮，李蒼松，陳成宗.隧道地質超前預報［M］.成都:西南交通大學出版社，2006.

［7］ 何發亮，李蒼松，李術才，等.隧道施工地質超前預報工作方法［J］.巖土力學，2006，27(10):270 －274.

［8］ 羅利銳，劉志剛.巖溶地區超前地質預報方法對比分析［J］.巖土工程學報，2011(S1):344－348.

［9］ 代勇.綜合地質預報技術在巖溶隧道中的應用研究［D］.廣州:華南理工大學，2012.

［10］ 吳存興.高速公路巖溶隧道綜合超前地質預報研究［J］.土木工程與管理學報，2012(29):87－92.