基于綜合超前地質預報方法的巖溶隧道施工探討

張海奇

（廣東陽茂高速公路有限公司，廣東 陽江 529800）

隧道施工是交通網絡中較為重要的組成部分。開鑿隧道是山區交通線路施工中必不可少的環節，隨著交通線路的擴張，隧道的長度也在不斷增加，跨度也隨之得到了增長。復雜地質下隧道的開挖面臨著較大的風險，尤其是在巖溶地帶的隧道施工中，更容易發生坍塌等安全事故。文章結合相關施工經驗，對某隧道開挖過程中綜合超前地質預報的應用進行了探討，旨在為相關領域的施工研究提供具有價值的參考資料。

1 工程概況

在中低山地區中有一個隧道，其施工區域最低高度可達460m，最高部分可達870m，該工程的相對高差最小可達到200m，最大可達到400m。在施工中，這個隧道洞身的地質為可溶巖巖層，也可以稱其為巖溶壟崗地貌。此外，在隧道的兩邊分布著溝谷坡地，中間區域地質條件為壟崗。該隧道的起點可記作DK136+997，終點為DK138+871，其總長度達到1.874km。本隧道中有一段雙線隧道，其直線部分的起點為DK136+997，終點為DK137+648.643，埋深最大可達到0.355km，其余標段位于曲線上，曲面半徑達到6km。

2 巖溶隧道超前地質預報內容

（1）預報內容包括對各級巖層進行預報，這些數據可以作為判斷整個巖層穩定性能的重要依據，根據這一預報有助于對設計中的支護類型進行優化，便于確定二次襯砌達到最佳施工效果的施工時間[1]。

（2）借助于勘測開挖掌子面所對應的地質條件來預測其前方的巖層，主要關注是否存在溶洞，若存在，對其規格大小、洞內填充物的狀況進行預判，綜合考慮這些地質條件是否會對工程的施工產生安全威脅，之后根據這些預測報告確定與之相適應的解決方案，以確保施工的順利開展。

（3）對隧道巖層的水文情況進行預報，主要判定在施工中是否可能出現涌水現象，以及在上述現象發生之后是否會影響整個施工過程，并給出相應的解決方案[2-3]。

（4）監測施工區域內是否會產生有害氣體，以免影響施工的安全系數。

3 綜合超前地質預報方法的應用

3.1 地質調查法

合理地使用地質調查法是在巖溶隧道中開展綜合超前地質預報的基礎。施工人員運用地質調查法，通過查探地質檔案、記載的勘察資料等方式大致了解施工區域的地質情況，之后借助赤平極射投影法，在相關地質理論的輔助下判斷每個施工段的地質條件，便于在不同的地質環境下選擇合理的探測方法。

3.2 地質雷達法

地質雷達法又稱地磁波法，該種勘測方法的探測系統由兩部分組成，即天線的發射和天線的接收。天線的發射指其產生的廣譜電磁波可以探測到地下介質。在不同的巖性地質中所產生的介電常數是不一樣的，因而可通過分析介電常數來分析巖層地下水的發育情況，及時掌握巖溶地貌的情況[4]。其具體的原理圖如圖1所示。

圖1 雷達探測原理圖

通過這種探測方法可以繪制出電磁反射波普圖，施工人員對該圖進行解譯，制成對應的地質條件報告。本隧道中巖溶的情況比較復雜，既有地表產生的溶蝕地貌，又有大型的溶洞，體積較小的溶丘散落分布在巖溶洼地中。

鑒于上述內容，可以采用雷達探測的方式來詳細了解隧道中的溶蝕情況。本工程的雷達探測主機型號SIR-20，該雷達探測機由美國研制開發，增添了具有屏蔽功能的天線，其屏蔽頻率為100MHz，目的是為了增加探測的次數，使之探測出的情況與實際的開挖情況形成對比，減少施工的失誤。正常情況下，當所探測的地層為溶蝕破碎地帶、巖溶管道等地方時，獲得的反射信號是相當強的，這樣一來可以準確地識別出該施工區域的水分。使用這種探測方式唯一的缺點是探測的深度容易受到地質條件的影響，一般只能探測到深度為20m左右的地質環境，若探測區域地質條件較差，只能探測到深度為15m左右的地質環境。在不同巖層中巖性的變化和構造的破碎會使得地震波在傳播的過程中發生變化，因而在隧道的上部和下前方會產生地震波的反射，在這種情況下產生的聲阻抗與正常地質條件下產生的聲阻抗有很大的區別。在巖層的兩側產生的聲阻抗差異越大，意味著界面上地震波所受到的反射越強烈，反之則弱。

3.3 TSP地震波反射探測法

TSP地震波反射探測法適用于不均勻的地質環境，因而在施工中可以借助人工開挖側壁的方式使微型震源的排列比較規則，進而激發地震波使之以球面擴散的方式傳遞到溶巖隧道，擴散的地震波被接收器接收，并產生不同的波形，這種波形的變化即為勘測到的地質條件的變化。相關的施工人員分析接收的波紋的傳播速度，勘測地震波的強度，分析其延遲的時間，記錄其傳播路徑，再結合專業的地質分析理論可以全面了解巖溶隧道中圍巖的地質條件。

本工程中在掌子面中出現了平面形狀的溶洞，使用TSP探測，可以增大對溶洞情況的了解程度。如果出現的溶洞形狀并不規則，各有差異時，繼續使用TSP地震波反射探測方法將很難探測出實際的地質條件。因而需要結合具體的施工實際來選擇探測方法，充分發揮其優勢所在。TSP探測原理圖如圖2所示。

圖2 TSP探測原理圖

3.4 超前水平鉆孔法

超前水平鉆孔法也是綜合超前地質預報中的重要組成部分[5]。這種地質勘測的辦法需要借助鉆機鉆探來完成對隧道掌子面位置的地質勘測工作。在鉆探的過程中需要參考相關的數據資料。根據地質條件的不同，諸如在斷層帶探測施工地質條件、在瓦斯隧道探測施工地質情況等，可以采用兩種鉆探方法進行勘測：一是取芯鉆鉆探，二是沖擊鉆鉆探。本工程屬于巖溶隧道，在施工中為了增強鉆探施工的準確性，布孔時需在掌子面上依據參考數據均勻布置，還需控制孔的位置及鉆探的角度，這樣才能確保鉆孔施工順利勘測出施工區域的地形條件。除此之外，在鉆孔的過程中要全程監測，注意記錄鉆孔的施工效率、出水量，這樣才可以為判定探測區域的地質條件提供準確的參考數據。

3.5 瞬變電磁法

瞬變電磁探測技術本質上指時間域電磁法，基本原理在于發射電流方波，此過程中該波形在下降的瞬間將沿電流方向產生一次瞬變磁場，在此環境下圍巖將形成渦流，并且具有圍巖導電能力與渦流大小呈正比的變化關系。瞬變磁場消失后，感應渦流進入過渡衰減階段，此時將形成二次感應磁場，通過小線圈便可接收該感應磁場，以所得的接收結果為依據準確判斷圍巖介質情況。

由于現場施工條件復雜，隧道施工空間較為狹小，超期預報工作的開展難以獲得充足的空間支持，故易出現超前預報進度受阻、所得結果精度不足等問題。而小線圈瞬變電磁則正好解決了此類問題，其具有體積小、探測精度高等優勢，在隧道物探中具有顯著的應用效果。小線圈瞬變電磁法可應用到巖溶洞穴、圍巖等地質環境中，由此實現超前預報。在合理應用瞬變電磁法后，可根據所得結果進一步輸出圖形，其主要包含兩種情況，各自都有其獨特之處。一是巖溶隧道充水，此時視電阻率在溶洞充水區域發生較大幅度的下降，相較于周邊區域而言其明顯偏低，視電阻率等值線則具有閉合的特點，若巖溶破碎較為明顯，則視電阻率等值線的分布密度更大。二是巖溶隧道不含水，此時視電阻率表現出高阻的特征，即視電阻率值大幅度提升，通過對視電阻率等值線的分析可知，其在巖溶破碎區域分布更為密集。依托于瞬變電磁的多解性特征，再綜合考慮地質勘查等方面的資料，能夠對地質狀況做出較為準確的判斷，依次為依據合理組織施工作業，創造安全的施工環境。

4 結束語

綜上所述，巖溶地層的特殊性在無形中增大了施工的難度，使得工程施工的安全系數受到很大的影響。對此，可以使用綜合超前地質預報來增強施工地質監測的準確性，全面地預測施工區域的地質條件，對不良地質條件采取合理的應對方案，避免施工中出現較大的安全事故。文章所提及的綜合地質超前預報取得了良好的監測效果，具有很大的推廣價值。