巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報綜合預(yù)報技術(shù)

徐建平

（中交一公局集團華中工程有限公司，湖北 武漢）

前言

在我國交通事業(yè)迅速發(fā)展過程中，其中隧道工程施工期間遇到地質(zhì)情況愈發(fā)復(fù)雜，高瓦斯巖溶隧道頻繁出現(xiàn)，巖溶、煤層瓦斯、破碎帶疊加出現(xiàn)，為隧道前期處理及后期運營埋下了諸多風(fēng)險因子。利用超前地質(zhì)預(yù)先報告技術(shù)，有望提前發(fā)現(xiàn)巖溶隧道地質(zhì)風(fēng)險并提前制定處理方案，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率。單一預(yù)報技術(shù)并無法滿足巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)先報告要求。因此，分析巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報綜合預(yù)先報告技術(shù)具有非常突出的現(xiàn)實意義。

1 巖溶隧道基本情況

一隧道為高瓦斯富水巖溶隧道，全長4 126 m，中心里程為D3K358+036。隧道穿越地層為二疊系燧石灰?guī)r、三疊系灰?guī)r、碳酸鹽巖夾頁巖等，圍巖為IV、V 級，存在煤層瓦斯、巖溶等不佳地質(zhì)（見表1）。

表1 巖溶隧道不良地質(zhì)

隧道1 850 m 位于地下水水平循環(huán)帶，平常涌水量為15 282.3 m3/d，雨期最大涌水量為32 362.3 m3/d，巖溶及巖溶水強現(xiàn)象發(fā)展。隧道底部填充型深巖溶干擾范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力分布不均，加之雨季巖溶水水量增加，易造成巖溶段隧道初期支護及襯砌開裂、掉塊、突起[1]。

2 巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報綜合預(yù)先報告技術(shù)方案

2.1 總體方案

單一方法并無法詳細反映高瓦斯富水巖溶隧道復(fù)雜地質(zhì)條件，案述隧道超前地質(zhì)預(yù)報綜合預(yù)報技術(shù)由地質(zhì)法、物探法、超前鉆探法組成。

2.2 地質(zhì)法預(yù)先報告

地質(zhì)法是根據(jù)開挖地質(zhì)隱蔽性，以隧道區(qū)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，依據(jù)隧道地質(zhì)素描資料、地質(zhì)勘察資料、地面補充調(diào)查資料，對比隧道區(qū)地層巖性和層序，進行災(zāi)害前兆分析，推測掌子面前方揭露地質(zhì)情況[2]。

2.3 物探法預(yù)先報告

物探法主要是根據(jù)巖層間具有物理性質(zhì)，借助彈性波反射法（地震波反射法、HSP 聲波反射法）或電磁波反射法、紅外探測法、高分辨直流電法，進行隧道地質(zhì)體構(gòu)造形態(tài)的探測。案述巖溶隧道主要用物探方法為地震波反射法、地質(zhì)雷達[3]。

2.3.1 地震波反射法

地震波反射法主要借助TSP203 超前預(yù)報系統(tǒng)，以溶洞、斷層破碎帶界面為地震波反射界面，根據(jù)地震波傳播情況，判斷不良地質(zhì)規(guī)模、位置。地震波傳播速度為

式中，V 為地震波傳播速度，m/s；X 為測試孔到傳感器的距離，m；T 為直達波的傳播時間，s。根據(jù)V，結(jié)合已知反射波傳播時間，可以推導(dǎo)反射波、接收傳感器的距離，具體如下

式中，T′為反射波傳播時間，s；X1為測試孔、反射界面之間的距離，m；X2為傳感器、反射界面之間的距離，m。因不良地質(zhì)界面與傳感器對稱，由傳感器和像點的空間坐標可以求解空間方程，進而獲得空間中垂面，即不良地質(zhì)界面。

2.3.2 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達主要是根據(jù)隧道超前地質(zhì)預(yù)報要求，標準化布置探測線路，促使地質(zhì)體在探測線路布置方向處于電磁波輻射范圍內(nèi)。

圖1 中，1 為上臺階；2 為探測線路L2；3 為探測線路L1；4 為下臺階。由圖1 可知，探測線路L1 位于巖溶隧道掌子面下部，探測線路L2 位于巖溶隧道掌子面中部，探測線路L1 與探測線路L2 平行，有利于探測線路數(shù)據(jù)對比分析。

圖1 地質(zhì)雷達探測線路布置

2.4 超前鉆探法預(yù)先報告

超前鉆探法主要是利用鉆機在隧道掌子面鉆探，可以為富水巖溶、煤層瓦斯帶探測提供支持。高瓦斯巖溶隧道超前鉆探布置見圖2。

圖2 高瓦斯巖溶隧道超前鉆探布置

圖2 中，1 為局扇；2 為超前鉆探位置；3 為射流風(fēng)機。根據(jù)圖1，由專職瓦斯檢測員對隧道內(nèi)含瓦斯煤層進行超前鉆探，可提前發(fā)現(xiàn)瓦斯風(fēng)險，啟動射流風(fēng)機，避免瓦斯氣體積聚。

3 巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報綜合預(yù)先報告技術(shù)要點

3.1 地震波反射法操作要點

在基于地震波反射法的TSP203 超前預(yù)報系統(tǒng)操作前，依據(jù)巖層結(jié)構(gòu)主導(dǎo)方位，選擇右側(cè)壁剖面布置18 個孔深為1.5 m、直徑38 mm 微型爆破孔，孔沿徑向向下傾斜15°±5°，相鄰爆破孔之間距離為1.5 m，每孔裝藥25 g±5 g，連接60 m 引爆電線和爆破雷管。同時在距離掌子面55 m、距離第一個炮眼20 m 位置布置接收器，接收傳感器沿軸徑向布置（見圖3）。

圖3 TSP203 超前預(yù)報系統(tǒng)鉆孔布置

圖3 中，1 為爆破測試孔；2 為孔斜，5°～10°；3 為爆破測試孔深，1.5 m；4 為掌子面；5 為接收器孔；6 為接收器孔深，2.0 m。在確認布置無誤后，利用專門清潔桿清洗套管內(nèi)壁，連接計算機與存儲單元，開啟計算機輸入幾何參數(shù)，在距離傳感器最近炮孔內(nèi)裝填炸藥并封堵炮眼，放炮采集數(shù)據(jù)，觀察5 000 mV 以內(nèi)的最大信號與波形[4]。

3.2 地質(zhì)雷達應(yīng)用要點

在巖溶隧道掌子面地質(zhì)雷達探測前，應(yīng)翻閱勘察報告相關(guān)資料，分析測區(qū)地質(zhì)基本情況，并清理探測面，確保雷達天線、探測面巖體穩(wěn)固耦合。若掌子面凹凸不平且處理難度較大，可根據(jù)天線移動方向，平行布置2 根PVC 管道，在PVC 管道內(nèi)布置天線。確保天線平穩(wěn)移動情況下，清理底板虛渣、積水。

在巖溶隧道掌子面地質(zhì)雷達探測時，應(yīng)利用連續(xù)反射剖面測量法，控制發(fā)射天線、接收天線間距一定，保證天線與掌子面最大間距小于5 cm，并理順電纜，控制電纜與天線距離一定，避免電纜通電產(chǎn)生磁場干擾地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。正式采集時，可選擇鍵盤觸發(fā)或時間觸發(fā)方式，以100 MHz 雷達天線為主，每秒掃描128 次以上，每間隔5 m 進行一次測量輪校準。

3.3 超前水平鉆探操作要點

根據(jù)巖溶隧道實際情況，選擇以111 kW 內(nèi)燃機為動力的RPD-150C 多功能鉆機。在鉆孔前，檢查鉆桿、水泵、管路、材料、油料與排水泵無誤，平整隧道掌子面周邊場地。在平整場地將鉆機布置到隧道洞內(nèi)，連接水管、水泵與電線。同時根據(jù)巖溶隧道隱伏含水構(gòu)造位置、規(guī)模，以中心梅花形放射布置10 個超前地質(zhì)預(yù)報鉆孔（見圖4），鉆孔延伸到隧道地下洞室掌子面周邊，孔深55 mm±10 mm。

圖4 超前水平鉆探孔

根據(jù)圖4，安裝內(nèi)邊塊、57 mm 鉆桿，開啟水泵，送水79 L/min～80 L/min。設(shè)置旋轉(zhuǎn)壓力4.5 MPa±0.5 MPa，水擊壓力8.5 MPa±0.5 MPa，在旋轉(zhuǎn)扭矩小于10 MPa。鉆孔至設(shè)計深度，撤離鉆桿，記錄數(shù)據(jù)。

4 巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報綜合預(yù)先報告結(jié)果

4.1 巖溶隧道地質(zhì)資料分析結(jié)果

巖溶隧道物質(zhì)場單元如表2 所示。

表2 巖溶隧道物質(zhì)場單元（局部）

由表2 可知，案述巖溶隧道控制隱伏構(gòu)造主要因素為地層巖性、地下水。地質(zhì)構(gòu)造對隱伏含水層規(guī)模、位置、補給特征、形狀均具有較大影響。由此，可以進行隧道圍巖分類，并在預(yù)測單元上標注[5]。

4.2 地震波反射法探測結(jié)果

根據(jù)隧道圍巖物探縱波波速，可知區(qū)域P 波波速為2 368 m/s，而正常圍巖P 波波速為3 470 m/s，SH波、SV 波在區(qū)域無反映。表明P 波波速突出下降區(qū)域為隱伏含水溶腔構(gòu)造，根據(jù)P 波分布，在預(yù)測單元上標注隧道圍巖探測結(jié)果，見表3。

表3 地震波反射法探測結(jié)果（局部）

根據(jù)表3，巖溶隧道地下水隱伏含水構(gòu)造的形成必需條件是具備可溶性巖石、溶蝕性地下水、地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象發(fā)展，預(yù)測單元為63、63、17、37 幾個小單元，即在上述小單元出現(xiàn)隱伏含水構(gòu)造的風(fēng)險較大。可推測探測范圍內(nèi)存在5 個反射異常區(qū)，為巖溶現(xiàn)象發(fā)展區(qū)及其延伸區(qū)。

4.3 巖溶隧道鉆探結(jié)果

根據(jù)巖溶隧道鉆探結(jié)果可知，隧道掌子面出露巖體為三疊系泥灰?guī)r，層狀碎裂結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化巖體與強風(fēng)化巖體交雜，巖體破碎程度較大。同時結(jié)構(gòu)面譜面加載0.4 cm～2.5 cm 黃色濕潤次生煤層，地下水活動痕跡明顯。在掌子面下方距離底板1.45 m 位置現(xiàn)象發(fā)展節(jié)理密集帶，帶內(nèi)節(jié)理間距8 cm～12 cm 左右，巖體較為破碎。隧道掌子面優(yōu)勢現(xiàn)象發(fā)展結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為EW/S∠13°，薄層狀分布，間距為18 cm～28 cm，充填煤層。

結(jié)束語

綜上所述，巖溶隧道因巖溶現(xiàn)象發(fā)展多樣性，需以隧道區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件為依據(jù)進行個性化預(yù)報技術(shù)的選擇。在高瓦斯富水巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)先報告時，應(yīng)貫徹地質(zhì)法與物探法相結(jié)合、洞外調(diào)查補充與洞內(nèi)探測相結(jié)合、多種物探法相互印證的原則，以地質(zhì)法為基礎(chǔ)，結(jié)合巖溶現(xiàn)象變化更新特征、地質(zhì)補充信息、處理規(guī)劃剖面圖，初步劃定隧道巖溶地質(zhì)預(yù)先報告單元。進而選擇恰當?shù)奈锾椒绞剑c鉆探相配合，制定并實施超前地質(zhì)綜合預(yù)先報告方案，為巖溶類型、規(guī)模以及瓦斯層分布的精準預(yù)報提供依據(jù)。