巖溶隧道超前地質預報綜合預報技術的應用效果分析

尹雪波

巖溶隧道超前地質預報綜合預報技術的應用效果分析

尹雪波

（四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610000）

復雜巖溶隧道在施工中存在突水、突泥、塌方、隧道變形等工程災害風險；運營存在隧道變形、漏水等風險。預報掌子面前方地質情況，可降低地質災害發生和危害程度，為正確選擇開挖方法、支護措施，優化工程設計及施工方案提供地質依據。通過某復雜巖溶道采用地質調查、地震波反射法、地質雷達法、超前鉆孔（含加深炮孔）等綜合方法開展超前預報，較準確預報掌子面前方地質情況，對類似工程具有借鑒意義。

巖溶隧道；地質災害；超前地質預報；綜合預報

中國幅員遼闊地質情況復雜，在修建鐵路、公路隧道時常遇穿過巖溶發育的碳酸鹽巖地區。因巖溶突水、突泥、塌方等工程地質災害導致的特大事故比比皆是，造成了人員傷亡、財產損失、延誤工期、甚至對線路運營造成影響。設計階段，受地形條件、巖溶發育復雜多變且規律性不強、地面勘探精度較低等因素影響，對巖溶的探測難度較大。因此，隧道施工過程中采用超前地質預報探測隧道開挖面前方的巖溶發育情況，提前采取防范措施，優化工程設計及施工方案，尤為重要。隧道超前地質預報方法主要有地質調查、物探、鉆探、超前導坑等4種方法，每種預報方法有自己的優點和缺點。很多隧道的超前地質預報設計方法單一，預報效果不理想。為提高預報的準確性，取長補短采用多種方法相互組合的綜合預報模式（地質調查、物探（地震波反射、地質雷達）、鉆探（含加深炮孔））探測某復雜巖溶隧道開挖面前方的巖溶發育情況，取得了較好的效果。

1 綜合超前地質預報組合模式

1.1 地質調查法

地質調查法具有以下特點：

（1）不占用工作面施工時間、不干擾施工、設備簡單、操作方便、提交資料及時，可隨時掌握隧道開挖工作面的地層、巖性、地質構造、地下水等地質條件的變化，是隧道施工過程中的地質工作，是隧道工程全過程地質工作的重要一環，是隧道超前地質預報的基礎工作。

（2）這種方法對與隧道交角較大而又向前傾的結構面、特殊巖溶(溶洞的發育具有突變性)容易產生漏報。

1.2 物探法

隧道超前物探法地質預報主要有地震波反射法、電磁波反射法（地質雷達法）。

圖1 DK622+111掌子面照片

1.2.1 地震波反射法

地震波反射法是利用人工激發地震波在不均勻地質體產生反射波的特性來預報隧道開挖工作面前方地質情況的物探方法。適用于劃分地層界限、查找地質構造、探測不良地質體厚度和范圍。

1.2.2 電磁波反射法

電磁波反射法是利用電磁波在隧道開挖工作面前方巖體內的傳播速度和反射脈沖波走時進行超前地質預報的物探方法。主要用于巖溶、斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻地質體探測。

1.2.3 物探法特點

物探法設備輕便、施測快捷、預報結果提供及時、費用低（相對超前鉆探而言）。但各種物探方法需具備一定應用條件并且物探結果具有多解性。

1.3 超前地質鉆探法

1.3.1 超前水平鉆

適用于各種地質條件下隧道超前地質預報，富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發育區、煤層瓦斯發育區、重大物探異常區等地質條件復雜地段必須采用。分為取芯和不取芯兩種：一般情況下采用不取芯，復雜地段取芯。連續鉆探時，每循環鉆30～50m，前后兩循環應重疊5～8m。富水巖溶發育區超前鉆孔應終孔于隧道開挖輪廓線外5～8m。鉆探中應做好記錄：鉆孔位置、開孔終孔時間、孔深、鉆進壓力、鉆進速度隨深度變化、沖洗液顏色和流量、涌砂、空洞、振動、卡鉆位置、突進里程、沖擊聲音變化等。

1.3.2 加深炮孔

加深炮孔探測是利用風鉆或鑿巖臺車等在隧道開挖工作面鉆較炮孔深3m以上小孔徑淺孔獲取地質信息的方法。

1.3.3 超前地質鉆探法特點

鉆探法成果直觀、準確，可探測隧道周邊巖溶發育情況，但成本高、耗時長(對工期影響較大)；“一孔之見”容易產生漏報。

1.4 綜合預報組合模式

綜合預報采用地質調查為基礎，物探先行，鉆探驗證的組合模式進行預報。其中物探采用長距離預報（地震波反射法）和短距離預報（地質雷達法）相結合綜合物探方法。

2 綜合預報實例

2.1 地質調查

隧道穿過灰巖夾白云質灰巖、鹽溶角礫巖，巖層產狀差異大，巖體較破碎。隧道地下水以巖溶水為主，位于巖溶水垂直滲流帶。不良地質主要為巖溶、順層及順層偏壓、松軟土。隧道巖溶強烈發育，施工遇巖溶管道、大型巖溶及溶腔可能性大，突水涌水風險高。

圖2 TSP成果圖

圖3 地質雷達成果圖圖1 浙江省磐圖1 安縣冷水螢石礦區地質簡圖

DK622+111掌子面（圖1）圍巖主要為灰巖夾白云質灰巖，圍巖破碎，巖質較硬，節理裂隙發育，存在不同巖性互層和夾黃泥夾碎石等現象，圍巖自穩能力較差。推測前方有存在溶洞可能。

2.2 物探法預報

分析地震波反射法成果圖（圖2），推測DK622+124～+163段（圖2紅色虛線圈出位置）圍巖破碎，巖質較硬，節理裂隙發育，巖溶強烈發育，存在不同巖性互層和夾黃泥等，含水（呈滴水狀-線狀）；推測DK622+124～+163段圍巖存在泥質半充填型溶洞。

地質雷達成果圖（圖3）顯示掌子面前方6～30m深度范圍（里程DK622+117～+141段），電磁波反射波能量衰減異常，波形畸變，同相軸連續較差。結合掌子面地質情況、設計資料、地震波反射法資料綜合分析，推測DK622+117～+141段圍巖破碎，巖質較硬，節理裂隙發育，巖溶強烈發育，存在不同巖性互層和夾泥等，局部含水（呈滲水狀～滴水狀）。推測DK622+117～+141段圍巖存在泥質半充填型溶洞（圖3中紅色虛線圈出位置），溶洞往大里程方向逐漸擴大。

綜合地質調查、地震波反射和地質雷達預報成果，推測DK622+117～+163段圍巖存在泥質半充填型溶洞，建議采用超前鉆孔和加深炮孔驗證物探異常。

圖4 超前鉆孔工作布置圖

2.3 超前鉆孔預報

在DK622+111開挖面布置了5個超前鉆孔（圖4），鉆孔孔深25m（DK622+111～+136段），不取芯。鉆探成果顯示，2#孔（開挖面左上部）和4#孔（開挖面左下部）分別在DK622+131～+136段和DK622+129～+136段鉆進速度明顯增快，鉆遇溶洞充填物（圖5、6）。

圖5 2#鉆孔柱狀圖

圖6 4#鉆孔柱狀圖

2.4 綜合預報

綜合DK622+111～+136段地質調查法、地震波反射法、地質雷達法、超前地質鉆探法等預報成果，得出綜合結論如下：

DK622+111～+129段圍巖為灰巖夾白云質灰巖，圍巖破碎，巖質較硬，節理裂隙較發育，存在不同巖性的互層和夾泥等現象，設計圍巖級別為Ⅳ級，預報圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級。

DK622+129～+136段圍巖為灰巖夾白云質灰巖，圍巖破碎，巖質較硬，節理裂隙發育，巖溶強烈發育，存在不同巖性互層和夾泥等現象。推斷DK622+129～+136段隧道左部圍巖存在泥質半充填型溶洞。DK622+129～+136段設計圍巖級別為Ⅳ級，預報圍巖級別為Ⅴ級。

2.5 開挖驗證情況

DK622+111～+136段綜合預報地質情況與開挖揭示吻合，隧道施工至DK622+129處，左部揭示泥質充填型溶洞（圖7），該溶洞往大里程方向逐漸擴大，延伸至DK622+136處為泥質半充填型，溶洞占掌子面1/2，左下部充填大量黃泥、碎石，左上部為空腔，溶洞一直延伸到DK622+172。

圖7 開挖揭示溶洞

3 結語

（1）以地質調查為基礎、物探先行，鉆探驗證的綜合超前地質預報組合模式在可溶巖地區復雜條件隧道開展超前地質預報工作較為準確，組合模式對類似工程具有借鑒意義。

（2）長距離預報（地震波反射法）和短距離預報（地質雷達法）相結合的綜合物探方法相互印證，有利于提高預報準確率。

（3）巖溶隧道，開挖輪廓線四周應布置加深炮孔對開挖輪廓線外一定范圍巖溶發育情況進行探測，以降低開挖中地質災害發生幾率，又可作為洞周巖溶探測輔助，降低運營期間地質災害發生風險。

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The Application Effect of Integrated Advanced Geological Prediction Technology of Karst Tunnel

YIN Xue-bo

(Sichuan Zhongcheng Coalfield Geophysical Prospecting Engineering Institute Co., Ltd., Chengdu, 610072)

There are disasters and risks such as water inrush, mud inrush, landslide, tunnel deformation and so on in the construction of complex karst tunnel. Predicting the geological conditions in front of the tunnel face can reduce the occurrence and damage degree of geohazards which may provide geological basis for correct selection of excavation method and support measure, the optimizing engineering design and construction plan. In the construction of a complex karst tunnel, the advance prediction of geological conditions in front of the tunnel face is carried out by the use of geological survey, seismic reflection method, ground penetrating radar (GPR) method and advanced drilling (including deep hole) method.

karst tunnel; geohazard; advanced geological prediction;

U455.7

A

1006-0995（2022）02-0313-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.025

2021-07-21

尹雪波（1986— ），男，四川珙縣人，工程師，主要從事超前地質預報和地面電法研究