巖溶環(huán)境隧道涌水超前預(yù)報(bào)集成系統(tǒng)技術(shù)研究

蘭福軍 ，張慶明 ，段永勝 ，劉星星 ，王羽 ，王不凡

（1重慶交通建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 400010；2重慶高速工程顧問有限公司，重慶 401121；3上海城建職業(yè)學(xué)院，上海 200438；4中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

做好巖溶地區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是施工過程中防止或避免發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的重要任務(wù)[1]。巖溶環(huán)境隧道涌水超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)涉及的設(shè)備主要包括TSP303隧道地震探測(cè)儀、SIR-4000地質(zhì)雷達(dá)、多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)、瞬變電磁儀、三臂鑿巖臺(tái)車等。相較于傳統(tǒng)超前預(yù)報(bào)方法，將用于超前預(yù)報(bào)的設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使設(shè)備間相互聯(lián)動(dòng)，為解決巖溶隧道涌水的超前預(yù)報(bào)問題提出了一套系統(tǒng)化的解決方案。結(jié)合物探和鉆探中各設(shè)備的特點(diǎn)，總結(jié)出各個(gè)探測(cè)設(shè)備的具體使用流程，提高了對(duì)巖溶隧道掌子面前方涌水情況的探測(cè)精度，更好地保證了施工進(jìn)度和施工人員的安全，解決了巖溶隧道涌水的超前預(yù)報(bào)難題，具有參考價(jià)值和推廣意義。

1 工程概況

城開隧道是重慶城口（陜渝界）至開州高速公路重大控制性工程之一，左線隧道起訖樁號(hào)為 ZK71+781～ZK83+270，長(zhǎng)11489m；右線隧道起訖樁號(hào)為K71+778～K83+234，長(zhǎng)11456m。適用于高壓富水巖溶地區(qū)隧道和地下工程施工開挖前的超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，先運(yùn)用TSP303隧道地震探測(cè)儀測(cè)量隧道掌子面前方200m范圍內(nèi)大致地質(zhì)情況；然后利用SIR-4000地質(zhì)雷達(dá)對(duì)掌子面前方40m的范圍進(jìn)行近距離、高精度的預(yù)報(bào)，驗(yàn)證前方是否存在溶腔；使用多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)對(duì)掌子面100m的距離進(jìn)行水平探孔，通過記錄的鉆進(jìn)深度來確定涌水的位置；再利用YCS400（A）礦用瞬變電磁儀來確定涌水位置處水源的方位；為更全面了解掌子面前方的地質(zhì)情況，提高鉆探效率，在掌子面四周使用三臂鑿巖臺(tái)車鉆取5個(gè)10m加深炮孔，進(jìn)行探水、探氣。

通過使用巖溶環(huán)境的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)集成系統(tǒng)，在巖溶隧道涌水超前預(yù)報(bào)方面取得了良好的效果，物探和鉆探有機(jī)結(jié)合，多手段、長(zhǎng)短結(jié)合、區(qū)域?qū)９ィ岣吡顺邦A(yù)報(bào)的精度，也為隧道安全施工保駕護(hù)航[2]。

2 巖溶地區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)集成系統(tǒng)

2.1 工作原理

巖溶隧道涌水超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，是將不同的超前預(yù)報(bào)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)劣互補(bǔ)、綜合對(duì)比分析的超前預(yù)報(bào)方法。首先，使用TSP303隧道地震探測(cè)儀對(duì)需要探測(cè)的隧道掌子面進(jìn)行探測(cè)，目的是探測(cè)掌子面前方200m范圍內(nèi)的危險(xiǎn)斷層區(qū)域、溶洞和含水巖層情況，達(dá)到中長(zhǎng)距離探測(cè)前方大致地質(zhì)情況的目的。然后利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)TSP303檢測(cè)到的地質(zhì)情況進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)TSP303和地質(zhì)雷達(dá)綜合判斷掌子面前方是否存在溶腔。若沒有溶腔，在形成報(bào)告后匯報(bào)給總工繼續(xù)施工。若存在溶腔，使用多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆探，進(jìn)一步確定溶腔的位置距離，根據(jù)鉆孔出現(xiàn)大量涌水時(shí)多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)的鉆進(jìn)深度，來判斷涌水位置距離掌子面的距離，達(dá)到短距離線性探測(cè)的目的[3-4]。接著利用瞬變電磁儀來確定涌水位置水源的具體方位，達(dá)到短距離、大斷面超前預(yù)報(bào)的目的。最后在掌子面進(jìn)行爆破鉆孔前，使用三臂鑿巖臺(tái)車在多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)的鉆孔周圍鉆取5個(gè)深10m的加深炮孔，利用加深炮孔系統(tǒng)分析驗(yàn)證瞬變電磁儀的預(yù)報(bào)結(jié)果。如果不符合，則再次利用瞬變電磁儀進(jìn)行超前預(yù)報(bào)；若符合，則生成巖溶隧道涌水超前預(yù)報(bào)報(bào)告，將預(yù)報(bào)結(jié)果匯報(bào)總工，制定施工方案后，方可繼續(xù)施工。

2.2 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工藝流程

巖溶環(huán)境隧道施工超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)集成技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

圖1 巖溶環(huán)境隧道施工超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)集成圖

城開隧道施工超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，首先利用TSP303超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)需要檢測(cè)的掌子面進(jìn)行檢測(cè)，在進(jìn)行檢測(cè)之前先在隧道的墻邊布設(shè)一條側(cè)線，沿著側(cè)線的走向布置一些炮點(diǎn)（大約為24個(gè)左右），以此激發(fā)小型人工震源，通過對(duì)TSP軟件處理成果進(jìn)行評(píng)估，若發(fā)現(xiàn)S波反射比P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水，需要再使用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)前方巖層進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，兩者相互驗(yàn)證，判斷前方是否存在溶腔。

根據(jù)TSP303和地質(zhì)雷達(dá)綜合判斷前方是否存在溶腔。若沒有，則形成報(bào)告匯報(bào)總工后繼續(xù)施工。若存在，則使用多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆探，確定溶腔內(nèi)涌水位置。

利用超前地質(zhì)鉆探手段，對(duì)每次鉆進(jìn)進(jìn)行記錄，包括此時(shí)的鉆孔位置、開孔時(shí)間、終孔時(shí)間、鉆進(jìn)深度、沖洗液顏色和流量變化等。根據(jù)每次鉆進(jìn)的地質(zhì)特征判斷掌子面后的地質(zhì)情況，當(dāng)出現(xiàn)大量涌水時(shí)則停止鉆進(jìn)，該深度即為巖溶隧道涌水區(qū)位置。將超前地質(zhì)鉆機(jī)確定的涌水位置與TSP303的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、驗(yàn)證，獲得詳盡的涌水區(qū)域位置、大小等情況。

為更加精確地預(yù)報(bào)掌子面前方的涌水情況，需要利用加深炮孔對(duì)瞬變電磁儀的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行二次驗(yàn)證，從而確保掌子面前方40m范圍內(nèi)的涌水情況。

為解決掌子面前方10m范圍的探測(cè)，依據(jù)瞬變電磁儀生成的斷面圖，選取特定位置鉆取加深炮孔，從而判斷掌子面前方的巖溶涌水情況。加深炮孔應(yīng)較爆破孔深3m以上，孔徑與爆破孔相同，孔數(shù)和孔位根據(jù)瞬變電磁儀生成的斷面圖進(jìn)行確定。

2.3 系統(tǒng)驗(yàn)證分析

系統(tǒng)驗(yàn)證分析是該技術(shù)的主要核心，也是該套超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的中樞，將物探與鉆探結(jié)合起來，對(duì)以上所采用的各種預(yù)報(bào)手段獲得的資料進(jìn)行歸納、分析、對(duì)比[5]。巖溶環(huán)境隧道施工超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)是一種立體的、系統(tǒng)化的巖溶隧道涌水超前預(yù)報(bào)方法[6]，可以為巖溶隧道提供更加準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，同時(shí)也可以建立巖溶隧道涌水地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)機(jī)制，為巖溶隧道施工提供更安全的保障。

為解決掌子面前方10m范圍的探測(cè)，依據(jù)瞬變電磁儀生成的斷面圖，選取特定位置鉆取加深炮孔，從而判斷掌子面前方的巖溶涌水情況。加深炮孔應(yīng)較爆破孔深3m以上，孔徑與爆破孔相同，孔數(shù)和孔位根據(jù)瞬變電磁儀生成的斷面圖進(jìn)行確定，如圖2所示。

圖2 三臂鑿巖臺(tái)車鉆取加深炮孔施工圖

根據(jù)TSP303隧道地震探測(cè)儀、SIR-4000地質(zhì)雷達(dá)、多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)、瞬變電磁儀、三臂鑿巖臺(tái)車檢測(cè)的結(jié)果，可以更加系統(tǒng)地分析隧道掌子面圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和地下水情況，判斷掌子面前方圍巖的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征，并提出具有針對(duì)性的工程措施建議。根據(jù)開挖段及掌子面水文地質(zhì)情況，判斷是否進(jìn)行注漿止水。通過系統(tǒng)驗(yàn)證分析，還可以將掌子面出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)面以幾何作圖的形式進(jìn)行預(yù)報(bào)，使超前預(yù)報(bào)更加形象、準(zhǔn)確。

城開隧道施工中，通過TSP和地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)發(fā)現(xiàn)，ZK0+830附近存在溶腔，地下水比較發(fā)育，可能會(huì)有涌水。采用超前地質(zhì)鉆孔與瞬變電磁儀相結(jié)合短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，兩者相互對(duì)比印證，初步探明掌子面前方ZK80+843～ZK80+830.8段異常區(qū)存在較強(qiáng)富水，如圖3所示。

圖3 ZK80+832.7溶洞形態(tài)圖

城開隧道通過采用巖溶隧道涌水超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)化施工方法，精確探測(cè)到前方圍巖不良地質(zhì)災(zāi)害達(dá)15處。

3 結(jié)語

地質(zhì)工程師對(duì)TSP303隧道地震探測(cè)儀、SIR-4000地質(zhì)雷達(dá)、多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)、瞬變電磁儀、三臂鑿巖臺(tái)車的檢測(cè)結(jié)果仔細(xì)分析后，應(yīng)形成準(zhǔn)確的分析報(bào)告，經(jīng)施工單位、監(jiān)理單位確認(rèn)，將其結(jié)果匯報(bào)總工，確立施工方案后，方可按照方案繼續(xù)施工。

該套超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)為巖溶隧道涌水超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)化施工技術(shù)，是將不同的超前預(yù)報(bào)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)劣互補(bǔ)、綜合對(duì)比分析的超前預(yù)報(bào)方法。利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)TSP303檢測(cè)的地質(zhì)情況進(jìn)行驗(yàn)證，若判斷存在溶腔，使用多功能超前地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆探，進(jìn)一步確定溶腔的位置距離。接著利用瞬變電磁儀來確定涌水位置的水源具體方位，達(dá)到短距離、大斷面超前預(yù)報(bào)的目的。最后利用加深炮孔來系統(tǒng)分析、驗(yàn)證瞬變電磁儀的預(yù)報(bào)結(jié)果。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)雖然需要一定的費(fèi)用，會(huì)占用一定的施工時(shí)間，但在高壓富水巖溶發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害區(qū)其意義仍十分巨大。它可以提前做好應(yīng)對(duì)措施，減少和避免地質(zhì)災(zāi)害，特別是重大地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，減少和避免機(jī)械設(shè)備安全事故以及人員的傷亡，使不良地質(zhì)問題處于可控狀態(tài)。