綜合超前地質預報法在巖溶隧道的應用

張博宇

(廣西河百高速公路有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

超前地質鉆孔能夠對施工勘察與物探成果進行確認，并能夠直接探明隧道掌子面前方巖溶不良地質規模與充填情況，同時可以作為跨孔電阻率CT探測的作業空間。因此超前地質鉆孔貫穿整個隧道施工過程，鉆孔的位置、孔深、數量、取芯等可根據勘察資料與物探成果綜合分析確定。超前地質鉆孔采用意大利卡薩格蘭地公司生產的C6多功能鉆機，該設備鉆孔深度達100 m，配備LUTZ鉆進數據實時采集系統及分析系統，同時具有可以通過鋼絲繩取芯、巖土層連續取樣鉆進的優點，可進一步探明巖溶區隧道掌子面更大范圍的不良地質情況。本文為風險地層的防護及處理方案提供依據與參考，可以有效規避施工風險事故的發生。

1 工程概況

河池至百色高速公路位于廣西西北部，地處云貴高原臺地東部邊緣。地勢西北高、東南低，路線大致呈北東～南西走向。主要地貌類型有剝蝕低山丘陵地貌、巖溶峰叢洼地地貌兩種，部分地段為河流峽谷及河流階地堆積地貌。

依托工程河百高速平坎隧道總長3 267.5 m，由平坎隧道前段、平坎隧道后段組成。平坎隧道前段左洞起訖樁號Z4K31+050～Z4K31+905，長855 m；右洞起訖樁號K31+015～K31+870，長855 m。平坎隧道后段左洞起訖樁號Z4K32+035～Z4K34+320，長2 285 m；右洞起訖樁號K31+985～K34+280，長2 295 m。

該段主要地貌類型為巖溶峰叢洼地，山峰林立，其間發育溶蝕洼地，山峰與洼地相對高差大，地勢較高、地形起伏大，自然坡度35°～70°，部分近直立。山峰多基巖裸露或少量植被覆蓋。

2 綜合超前地質預報法流程

巖溶預報以地質調查為基礎，以超前鉆探為主，結合多種物探手段進行綜合超前地質預報(見圖1)。宏觀指導微觀，長距離指導短距離，見圖2。

圖1 綜合巖判流程圖

圖2 探測距離對比圖

TSP：通過接收地震波遇波阻抗差異界面(斷層，巖性變化)反射信號(100～150 m)。

地質鉆探：作業深度一般取50～100 m，根據鉆機成孔采集數據，準確地反映前方待開挖面的地層狀況，為風險地層處理方案提供依據與參考，有效規避施工風險。主要數據采集：鉆孔深度、速度；鉆孔回水、渣樣；鉆桿轉速、扭矩；旋轉壓力、推進力。見圖3。

圖3 EXEPF數據分析系統示例圖

地質雷達：時間域脈沖雷達，電磁波雙程走時(27 m)。

超前炮孔：鉆孔深度取6 m，外飄角取30°，對即將開挖圍巖精準探測，并確保下循環持力層厚度。

地質素描：內容包括掌子面圍巖風化程度、巖質堅硬程度、巖體結構類型、地質構造面發育情況、節理和巖層產狀、裂隙充填物及裂隙水，對掌子面圍巖進行精準分級。

2.1 工程實例ZK32+989溶腔探測

平坎隧道后段左洞出口端(百色端)開挖至Z4K32+989時，距貫通(進口端突泥樁Z4K32+793)還剩196 m。隧道未開挖段最大埋深240 m。綜合掌子面圍巖情況、TSP、超前地質雷達預報及超前地質鉆孔情況，推測Z4K32+989掌子面前方大概9～30 m范圍(Z4K32+980～Z4K32+960段)極有可能發育一個大型富水軟塑性泥質物充填型溶洞。具體探測情況如下：

(1)TSP探測結果ZK33+000～Z4K32+876，探測124 m，顯示Z4K32+989～Z4K32+976節理裂隙，溶蝕裂隙較發育，局部寬張裂隙發育；Z4K32+976～Z4K32+948節理裂隙，溶蝕裂隙發育，有泥質夾層，其中Z4K32+952～Z4K32+948溶蝕腔體發育，腔內軟塑狀泥質物、裂隙水充填；Z4K32+948～Z4K32+935節理裂隙，溶蝕裂隙較發育，局部寬張裂隙發育。

(2)地質雷達探測結果Z4K32+989～Z4K32+962，探測27 m。節理裂隙、溶蝕裂隙、構造面發育，有泥質夾層；Z4K32+978～Z4K32+972溶蝕腔體發育，腔體內由可塑～硬塑狀黃泥充填，圍巖大體較破碎；Z4K32+972～Z4K32+961節理及溶蝕裂隙發育，局部寬張裂隙發育。

(3)超前C6地質鉆機地質探測，鉆孔布置圖及鉆探結果見圖4。

圖4 Z4K32+989掌子面超前鉆孔布置圖

1號孔(仰角15°，偏角0°)鉆孔深22 m，鉆至9～22 m段為黃泥充填型溶洞，并存在孤石，由于孤石較多，無法繼續鉆進。

2號孔(仰角13°，左偏15°)鉆孔深50 m，鉆至13～21 m段黃泥夾層及充填型溶洞發育，21～50 m段為灰色硬巖。

3號孔(仰角15°，左偏角15°)鉆孔深40 m，8～26 m斷續黃泥夾層發育，鉆至28 m時，有大量黃泥水噴出，水流量約6 m3/h，總出水量約100 m3，由開始的黃泥水變化為清水；水量明顯減小后，再對其加深鉆探，28～50 m段為灰色硬巖，另對其長期觀察顯示，3號孔出水量根據降雨變化。

4號孔(仰角15°，右偏角15°)鉆孔深40 m，13～17 m段軟塑性泥質物充填，并夾雜塊石發育；18～32 m段，塑性黃泥全充填；32～40 m段為硬巖。

5號孔(仰角0°，右偏角15°)鉆孔深46 m，15～26 m段，斷續黃泥夾層；26～33 m段軟塑狀泥質物充填溶洞；33～46 m段為灰色硬巖。

6號孔(仰角0°，偏角0°)鉆孔深26 m，11～23 m段為斷續黃泥夾層，其余為灰色硬巖。

7號孔(仰角0°，偏角0°)鉆孔深40 m，15～23.3 m段，黃泥充填溶洞；25～40 m，灰色硬巖。

8號孔(仰角-15°，右偏角15°)鉆孔深40 m，基本為灰色硬巖。

9號孔(仰角10°，右偏角15°)鉆孔深20 m，10.5～16 m為空腔；16～20 m為黃泥充填溶洞，并可能夾孤石，易卡鉆，無法繼續鉆進。

操作過程要注意以下三點：

①鉆探布孔：常規布孔6個，根據TSP、地質雷達以及掌子面圍巖情況增減。

②鉆探搭接：地質鉆探外飄角度為15°，實際施工中約于10 m處進入隧道輪廓線外，為拱頂持力層探測盲區，故設定10～15 m為搭接長度。

③超前炮眼的必要性：超前地質鉆探為中長距離宏觀控制，有不可控因素，超前炮孔加強探測，確保探測準確性。

(4)地質素描方面，掌子面揭露圍巖為中風化灰巖，中厚層構造為主，巖質較堅硬，節理裂隙發育，裂隙微張。主要發育三組裂隙，裂隙內由少量泥質物充填，裂隙面光滑，呈鐵銹色；同時發育多組褐色巖脈，主要一組脈寬20 cm，產狀195°∠50°，鐵礦物質及泥漿浸染；掌子面圍巖局部較破碎，含弱裂隙水，自穩能力一般，易掉塊。見圖5。

圖5 掌子面地質素描示意圖

(5)綜合判斷結果

綜合超前地質預報結果見圖6～8。

圖6 鉆探結果縱剖面圖

圖7 鉆探結果平面投影圖

圖8 Z4K32+989巖溶段三維模型示意圖

3 結語

隧道深埋地下，工程地質和水文地質條件復雜、多變。在勘測設計階段要完全查明隧道工程的巖體構造、狀態、特性，特別是不良地質體的確切位置、規模等存在較大困難。本文通過在工程施工中綜合各類探測(尤其是C6XP多功能鉆機)情況以及地表地質調查、圖紙資料核查，對平坎隧道的巖溶發育情況有了比較清晰的判斷。根據此判斷最終采用超前大管棚+襯砌加強支護的方案，順利通過了巖溶發育區，確保了安全。此綜合超前地質預報法可為巖溶隧道施工提供借鑒及參考。

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