綜合超前地質預報在重慶酉沿高速中的應用

孟令辰

(1．東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040;2．中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京 101102)

1 工程概況

重慶酉陽至貴州沿河(重慶段)高速公路項目全長31．027km，橋隧比47．8%，項目總投資36．5億元。其中酉陽1號隧道(ZK1 + 904—ZK5 + 760)屬于特長隧道，長度為3 856m，隧址地處渝東南多山巖溶發育區域，山體多以灰巖、白云質灰巖為主，巖溶極發育，在前期地勘中顯示隧址上方有五處大型的落水洞連通到隧道位置附近，隧址下方存在地下暗河。

2 巖溶隧道超前地質預報技術

2．1 巖溶隧道超前地質預報現狀

巖溶隧道施工中最大的安全隱患是涌(突)水(泥)，它嚴重危及隧道施工的安全，影響隧道施工的進度，而且如果隧道施工措施不當，常常會使隧道建成后運營環境惡劣，地表環境惡化，給人們的生產和生活造成重大的損失。隨著近年來物探技術不斷發展，超前地質預報技術在隧道施工中得到了廣泛的應用。其利用常規地質方法、工程物探方法、鉆探法、數值分析法等，在隧道開挖前預報前方地質情況，特別是在復雜地質條件隧道施工過程中，在加強工程地質分析的同時，結合物探、鉆探對不良地質體進行的探測分析得出成果，為隧道工程的快速掘進、材料的提前準備及地質災害事故的有效預防提供了可靠的地質資料和信息。

目前，隧道超前地質預測預報以單一地采用地質鉆探法或物理探測為主。前者主要為超前水平地質鉆孔、加深炮孔，后者主要有地質雷達、TSP 法等。由于水平地質鉆孔只能進行短距離預報且占用掌子面時間較長，物探成果具有多解性，對于地處地質情況復雜的隧道采用單一預報方法得出的預報成果并不十分可靠。

2．2 超前地質預報技術實施方案

超前地質預報組結合酉陽1 號隧道屬于特長公路隧道的實際，并針對開挖斷面大、隧址地質情況復雜和巖溶發育等特點，首先制定了采用綜合超前地質預報方法的預報方案。這樣既可以有效兼顧兩種預報方法的優點，還可以避免采取單一方法對隧道環境分析的不足。即利用常規地質方法、工程物探方法、鉆探法、數值分析法對隧道地質情況綜合分析，得出預報成果，使預報成果準確性高，為在復雜地質情況下隧道施工、及時制訂處理預案提供了科學依據。

2．3 物探設備工作原理

TSP 探測法采用了回聲測量原理，地震波在介質中傳播會遇到不同的巖石界面，進而將一部分的地震信號反射回來，我們利用接收器將反射回來的數據加以收集，再通過數據處理軟件進行后期的處理分析，得出預報成果。

地質雷達方法原理是利用發射天線向地下介質發射廣譜、脈沖形式的高頻、甚高頻電磁波，電磁波遇到電性(介電常數、電導率)差異界面時將發生透射、折射和反射現象，同時介質對傳播的電磁波也會產生吸收濾波和散射作用。用接收天線接收并記錄來自地下的反射波，采用相應的處理軟件進行數據處理。

3 酉沿1 號隧道左線ZK2 +960 溶洞綜合預報實例

根據設計資料，ZK2 +930—ZK2 +980 段隧址上方存在大型落水洞一處，上下連通，可能與隧道下方的地下暗河相連。為探明前方圍巖情況，預報組采用了以TSP 探測位置，綜合使用地質雷達探測、水平鉆探法等多種探測手段，基本探明前方圍巖的情況，為方案的制定提供了可靠的依據。

3．1 TSP 探測

2014年5月4日，預報組對酉陽1 號隧道左線首先常規地采用了TSP 探測法進行中長距離的探測預報，在掌子面里程為ZK2 +927 處施做TSP 探測法。預報組處理流程包括11 個主要步驟，即:數據設置→帶通濾波→初至波拾取→拾取波處理→爆破波能量均衡→Q 估計→反射波提取→P-S 波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。處理的最終成果包括P 波、SH 波、SV 波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數、各反射層能量大小等，以及反射層在探測范圍內的2D 空間分布圖。從二維成果圖分析顯示ZK2 +944—ZK2 +973 段圍巖各項物理力學參數呈跳躍狀變化，不良地質體反射界面雜亂，相位為負，此段為物探異常區段。初步推斷為該段圍巖破碎，裂隙發育，巖質軟硬相間，可能發育充填泥質溶腔，局部裂隙水發育。

3．2 地質雷達探測

根據TSP 的中長距離的預報成果，預報組在掌子面里程為ZK2 +940 位置時采用了地質雷達探測，每次預報15—25m 之間的中短距離，前后兩次預報有至少5m 以上的搭接預報長度，由于開挖工法是二臺階開挖法，因此我們采用布置上下兩條測線的方式對掌子面前方進行地質雷達探測，進一步明確掌子面前方的圍巖情況。當發現ZK2 +952—ZK2+957 段掌子面不同程度地出現了溶蝕裂隙、局部圍巖破碎、小型褶皺構造等情況后，預報組決定在掌子面ZK2 +957 處施做地質雷達探測。結合之前開挖情況和掌子面當時的地質情況及地質雷達回波圖，綜合分析得到0—280ns 段，電磁波同相軸較連續，局部振幅較強，以中、低頻信號為主，推斷此段圍巖為灰巖，節理、裂隙發育，圍巖較破碎，巖溶發育，局部裂隙夾有泥質，圍巖濕潤;其中60—280ns 段，掌子面左側及中部為物探異常區，推斷該異常是由于巖溶等類似結構引起的。該結果與TSP 探測結果相符。

3．3 超前水平鉆孔驗證

根據上述探測成果，預報組建議在ZK2 +957 處暫時停止掌子面掘進，因為物探異常區距離現在的掌子面最近的位置僅3m 左右，為保障施工安全，保證有足夠厚度的安全巖盤可以防止溶腔中的充填物突涌，確保人員安全和機械財產不受到損失。預報組與項目部協商溝通在掌子面ZK2 +957 處進行超前水平鉆探，驗證兩次物探結論是否正確。若存在溶洞，則探明溶洞中的充填物及溶腔的大小、深度，從而為后續的施工提供可靠的科學依據。本次預報組為節省占用掌子面的時間，采用的是非取芯超前地質鉆。這種鉆探的優點是鉆進速度快，探溶效果好，根據鉆進的不同特征、反水情況來判斷前方的地質情況;不足之處是不能取出前方圍巖的芯樣，不能更直觀地看到前方圍巖的具體變化。為進一步探明物探異常區的情況，預報組依據雷達圖像在掌子面的左側、中部、左上部設置了三個鉆孔位置。在鉆進過程中，預報組的地質編錄同時進行，在ZK2 +957—ZK2 +960 段位于掌子面中部的探孔，鉆探記錄:鉆進特征為出現3 次卡鉆現象，反水基本為灰白色，偶爾出現伴有黃色的泥水，說明圍巖破碎，溶蝕現象發育;在ZK2 +960 處出現了跳鉆情況，隨后有成股的黃泥伴少量的水流出;繼續向前鉆探1m 后，鉆機的鉆進速度明顯下降，鉆進到ZK2 +961．5m 處時溶腔中的泥質充填物已將鉆桿裹緊，不能繼續鉆探。而后預報組又對事先設計好的另外兩個位置進行了鉆探，在掌子面前方3—4m 之間都出現了泥水混合物流出。預報組據上述情況分析:前方ZK2+960 處存在溶洞，大體的位置為自掌子面中部至左側、自隧道起拱線向上均為溶洞區域，溶洞的具體大小尚不能確定，充填物為泥、水混合物，隧道下方的鉆孔充填物黏度較高，可能為淤積黃泥，推斷為溶洞的底部或腔室的底部。

3．4 依據預報成果確定處理方案

通過綜合超前地質預報成果分析驗證，酉陽1 號隧道左線ZK9 +960 處存在溶洞，其位置為自掌子面中部至左側、自隧道起拱線向上均為溶洞區域，溶洞的具體大小尚不能確定，充填物為泥、水混合物，隧道下方的鉆孔充填物黏度較高可能為淤積黃泥，推斷為溶洞的底部或腔室的底部，隧道可能橫穿大型溶洞底部。

依據以上水文及地質條件，建設單位組織了針對此溶洞的專項處理方案會議，最終采用了多次開挖，緩慢釋放溶洞內部充填物的方法，將溶洞中的充填物安全地釋放出來，襯砌背后溶洞采用預埋排水管、濾水裝置后逐級注漿處理。

3．5 綜合超前地質預報結果分析

(1)TSP 探測距離遠，對前方異常的構造物有著指導性的預警作用，但僅依靠此結論還不能準確地預報出前方異常的具體情況，TSP 的結論還比較模糊，異常的距離上會有一定的偏差，這就要綜合中短期預報手段地質雷達探測、超前水平鉆等方法來相互印證、相互補充。

(2)不要盲目解譯物探中出現的異常情況，物探數據存在著多解性，圍巖的變化也存在難以預見性，要結合現場地層實際情況，綜合多種方法，最終得出預報結果。

4 結語

開挖后所見溶洞及充填物與預報中的成果相互印證，完全相符，預報組就是采用了綜合超前地質預報的方法在巖溶發育地質情況復雜區域進行了有效準確的預報，即長短預報相結合，物探法、鉆探法相互印證，前后搭接預報，為施工贏得了時間，保障了人員及財產安全。這為預報組在渝東南酉陽地區的預報工作積累了珍貴的經驗，為我們在巖溶隧道預報方面留下了寶貴的資料。

［1］王建秀．腐蝕損傷巖體中的水化——水力損傷及其在隧道工程中的應用研究［D］．成都:西南交通大學，2002．

［2］呂康成，崔凌秋，等．隧道防排水工程［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［3］馬棟，李庚許，張有生．綜合超前地質預測預報技術在復雜巖溶隧道施工中的應用［A］． 第四屆全國巖石錨固與注漿學術會議論文集［C］．2007．

［4］張先鋒．隧道超前地質預報技術指南［M］．北京:人民交通出版社，2013．

［5］鐵路隧道超前地質預報技術指南( 鐵建設〔2008〕105 號)［Z］．