論述巖溶富水隧道超前地質預報技術

摘要 為避免隧道工程出現突水、塌方、形變等現象，應對巖溶富水隧道的復雜性進行分析研究。文章結合某高瓦斯巖溶富水隧道的實際情況，將超前地質預報技術運用到地質結構勘察中，預先形成精確的報告結果，為后期隧道運營管理奠定基礎。研究結果表明，運用超前地質預報技術獲得的報告結果具有準確性，將多種預先報告技術進行融合運用可以為相關人員準確了解隧道地質結構及情況創造了良好條件。

關鍵詞 巖溶隧道；地質預報；超前預報；技術對比

中圖分類號 U452.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0036-03

0 引言

巖溶隧道的規律性較差，存在溶洞、裂隙、斷裂等安全隱患，地下水條件豐富，易產生地質災害[1]。超前地質預報技術采用提前勘察方法，能夠了解隧道內的地質結構、巖層性質、水文情況，提前預估可能出現的地質災害問題，形成完整、全面的評估報告，減少隧道質量隱患。目前，我國可用于超前地質預報的技術類型較多，但單一類型的技術難以反映復雜隧道的地質情況，而聯合運用多種預報技術可確保結果的準確性[2]。

1 工程概況

某高瓦斯巖溶隧道長度為3 985 m，隧道穿越二疊系燧石灰巖、碳酸鹽頁巖，圍巖等級為四級，存在明顯的不良地質結構，其不良地質的具體情況如表1所示：

巖溶隧道1 128 m處存在大量地下水，涌水量達到1.2萬m3/d以上，雨季涌水量達到3.3萬m3/d以上，存在明顯的水滑現象。隧道底部位置存在大量巖溶，應力分布不規則，雨季下的隧道支護容易出現開裂、掉渣現象，存在較大的安全風險。隧道表面覆蓋大量的粉質黏土，穩定性較差，容易出現塌方事故。因此，為進一步了解巖溶隧道的實際結構情況，評估地質結構的安全風險等級，該文采用超前地質預報技術，形成完整的地質結構報告，以綜合分析不良地質的影響，為后續的工程項目建設奠定基礎。

2 超前地質預報技術對比分析

2.1 技術對比

由于地質結構的復雜性，整個巖溶隧道的長度較長，巖體存在破碎情況，地下水發育明顯，使用單一的超前預報技術預測地質結構特點，往往難以確保預報結果的準確性和完整性。因此，需要綜合對比目前可運用的超前地質預報方法的優劣和適用性，以選擇適宜的超前地質預報技術。目前，超前地質預報技術類型大致分為四類：TSP法、地質雷達法、電磁法、鉆探法[3]。TSP法通過監測地下巖層溫度，結合溫度和孔隙水壓力參數，判斷地下的結構變化情況[4]；地質雷達法適用電磁波、地震波等探查地下結構變化，根據回波信號判斷隧道結構中是否存在空洞、裂隙等情況；電磁法根據電磁場變化，推斷地下的巖層性質及結構；鉆探法采用取樣的方法，通過實驗了解巖性的信息。不同的方法在不同的地質結構預報中具有適應性，且優劣差異較大。超前預報技術的具體對比結果如表2所示：

綜合對比隧道地質超前預報技術的優勢和劣勢，發現不同超前預報技術的適用范圍不同，優劣差距較大，在具體的超前地質預報技術方案選擇過程中，應結合隧道的實際情況選擇不同的技術類型，以確保其在超前地質預報中的適用性。

2.2 方案設計

單一的超前地質預報結果無法滿足整體隧道的勘察情況，反映的結果具有局限性。由于該案例中的巖溶隧道長度較長，地質結構較為復雜，需要聯合使用多種超前地質預報方法。該案例中結合地質雷達法和鉆探法，綜合地質預先報告內容，實現對整體巖溶隧道的超前勘查，形成完整的預報結果，并將不同方法的結果進行對比和分析，相互印證以確保預報結果的準確性。

該文將綜合地質超前預報方案，使用地質結構基本資料，以隧道區域內的地質預先勘察結果作為基礎，完成基本地質隧道的素描工作，同時結合地質勘察資料和補充勘察資料，對比整體隧道內的巖性、層序，揭露隧道的地質結構情況，識別潛在的安全風險類型。在超前預報方案中應將地質資料作為基礎，使用地質雷達法和鉆探法，對局部區域內的地質結構進行預先報告。其中，地質雷達法使用地震波反射法和電磁波反射法探測地質結構的形態特征，回收信號反射結果。在利用地質雷達法探測地質結構的過程中，使用TSP202超前預報系統，主要的探測區域為地質資料中的溶洞、斷層、破碎帶界面位置，根據地震波的反射信號判斷不良地質的結構狀態。該過程中以傳播速度為依據，測試地震波信號的傳輸速度和距離，對比地震波的傳播時間，具體的地震波反射信號傳輸公式如下：

（1）

式中，T——地震波在地質結構中的直波傳達時間（s）；V——探測期間的地震波傳輸速度（m/s）；X——測試孔到傳感器之間的距離（m）；X1——測試孔與反射界面之間的距離（m）。在對不良地質超前預報的勘察期間，傳感器應與不良地質界面對稱，并結合地震波在隧道傳輸的空間幾何關系得到垂直面。

在使用地質雷達法探測期間，按照標準確定具體的探測路線和探測位置，確保探測區域沿線位置處于電磁波的輻射范圍內。按照地質結構，整體布置結構從上至下分別為上臺階、探測線、下臺階，探測線路位于掌子面的中部位置，存在兩根平行的探測線，以確保探測結果的準確性。

鉆探法探測的區域為掌子面，隧道鉆探位置布局的上部位置和下部位置為局扇，中間位置為鉆探位置，左側和右側位置為射流風機，采用超前鉆探的方法探查不良地質的結構情況。

考慮巖溶富水隧道地質結構的復雜性，以及不同預報方法的優缺點，將地質調查作為基礎，優先使用長距離的地質雷達法進行探測，掌握整體圍堰的變化趨勢。存在巖溶異常、富水地區的區域，則采用中短距離的預報方法，提高預報的精度。對于特殊區域且難以識別的區域，使用鉆探法精準定位地質的結構情況，完成綜合超前預報工作。

3 巖溶富水隧道超前地質預報技術運用要點

3.1 地震波反射法

地震波反射法應用期間，在地表的表面位置激發地震波，根據介質對地震波的反射和折射情況，獲取地下的結構信息。在巖溶富水地質超前預報中，運用地震波發射法探測地下巖層的分布，判斷是否存在裂隙、斷層等情況，預估隧道工程中潛在的安全隱患。基于TSP203超前預報系統，結合現有的巖層結構，在右側壁剖面布設22個孔位，深度為1.6 m，直徑為40 mm，孔位的傾斜程度為18°，孔位與爆破雷管連接；接收器布設的位置距離掌子面50 m，距離炮眼的位置為22 m；接收器采用軸向布設方案，其孔深為2.2 m。掌子面屬于隧道的斷面結構，易受地質結構的安全、穩定性影響較大。因此，在地震波反射法運用期間，應將掌子面作為基本節點，進行整體巖溶隧道的預報。對地震波反射法地質預報的測點位置完成布置后，將連接套管內部清洗干凈，使用計算機設備輸入幾何參數，裝填炸藥后封堵炮眼，隨后采集數據，觀察反射和折射地震波的信號變化和波形變化情況。地震波反射法鉆孔的具體布設情況如圖1所示：

圖1中的1為測試孔位置，2表示孔斜度，3、6表示孔深，4表示巖溶隧道地質結構的掌子面，5表示接收器。按照上述方案進行地震波測試孔位的布設，以確保測試結果的準確性和全面性，從而判斷具體的裂隙和斷層位置[5]。

3.2 地質雷達探測法

地質雷達探測法利用電磁波在地下介質中的傳播特性，根據反饋的信號獲取地下的結構信息。在巖溶隧道的地質超前預報過程中，使用地質雷達探測法，根據電磁波的反饋結構能夠了解地下的水文分布情況、巖層的裂隙和溶洞情況等，以判斷地質結構中是否存在安全隱患。在地質雷達探測過程中，應結合勘察報告結果，依據相關資料內容和地質結構的基本情況，進行地質雷達的全面測試。在地質雷達探測前，應將探測面清理干凈，維持雷達天線、探測面巖體結構的良好耦合；當掌子面存在凹凸不平、處理難度比較大，無法對其進行清理時，應沿著天線的移動方向布設兩個PVC管道，采用平行方式將天線布置在管道的內部位置，確保測試期間天線的平穩運動。當遇到積水、淤渣等情況，則應預先進行清理。在地質雷達探測布置過程中，使用連續探測方法時應維持發射點與接收點的距離一定，控制其距離在5 cm左右，將探測過程中需要使用的天線材料捋順，避免出現磁場干擾的情況。在采集信號期間，使用鍵盤觸發，將天線的頻率調整為100 MHz，掃描次數應滿足128次以上的基本要求，每隔5 m左右進行一次校準，以確保地質雷達測試結果的準確性。

3.3 超前水平鉆探技術

超前水平鉆探技術在巖溶隧道掘進方向內進行鉆探，實時獲取巖層的結構信息，反饋地質變化情況。巖層的性質、水文條件等均可使用超前水平的鉆探方法，及時識別巖溶富水隧道內的地質問題。超前水平鉆探的動力源為內燃機設備，鉆探設備使用多功能鉆機。在鉆孔前，應確保管路、材料的實際情況良好，掌子面周邊的環境及場地平整；將鉆機設備布設在隧道內后，應將水管、水泵等與電線連接，按照梅花形狀布設16個鉆孔，鉆孔深度控制在6 cm左右。根據超前水平鉆孔探測的基本要求，鉆桿長度應為58 mm，水泵的運轉效率為80 L/min，鉆孔旋轉壓力和扭矩分別控制在5 MPa、10 MPa左右，當鉆孔達到預設深度后應撤出鉆桿并采集數據。

4 巖溶富水隧道地質預報技術運用結果

4.1 地質資料分析

根據采集的地質資料結果，對巖溶隧道的物質場單元進行整理，判斷巖溶富水隧道的巖性、地下水分布情況。地質構造的差異性會使得含水層的規模、位置存在一定差異，這是圍巖分類的標準之一，地質資料的具體審查結果如表3所示：

4.2 反射探測結果

依據地質雷達探測結果，縱波波長速度為2 458 m/s，正常圍巖內的波速達到3 582 m/s。地震波和電磁波在測試區域內無反應，在1 122～1 135 m、1 268～1359 m處P波的波速呈現出突然下降的情況，測試結果表明該區域內存在含水溶腔。該區域存在可溶性巖石，在預測的幾個單元內，部分區域存在較大的隱伏含水構造風險，異常反射區的數量達到8個以上，存在巖溶發展區域和延伸區域。

4.3 隧道鉆探結果

根據隧道地質結構的鉆探結果，鉆探區域內的巖層呈現出層間破碎的情況，弱風化巖、強風化巖在地質結構內相互交錯，破碎現象比較明顯。根據鉆探結果中的結構面譜分析結果，隧道內部分區域存在豐富的地下水活動跡象，且在掌子面的底板1.2 m位置存在密集帶，節理間距為10 cm左右，呈現出薄層狀分布狀態，充填材料為煤層，間距為20 cm左右。

4.4 綜合結果分析

在超前地質預報技術應用期間，將整個地質結構分為若干個單元，不同的單元分別使用不同的技術進行測試，結合全面超前預報和局部超前預報，印證最終的勘察結果。具體預報結果如表4所示：

存在明顯的地下水，且水流比較大，以股狀程度涌出，勘察結果與實際開挖結果不符合。在完成各單元內的綜合勘察后，進行預先報告結果的輸出，同時結合不同探測方法的結果，對比分析其是否存在差異。若探測結果差異較大，需要重新進行測定，直至探測結果相符后，生成地質預報結果。在整個預報探測期間，將計算機技術運用探測中，初步擬定探測預報方案，并在后續的探測實踐中不斷調整，確保多種探測方法應用的效果良好，保障預報結果的準確性。

5 結論

綜上所述，對比多種超前地質預報技術的優點、缺點和適用范圍，結合隧道的實際情況，綜合設定隧道超前地質預報方案，明確具體的技術操作要點，準確獲取隧道地質相關參數，并依據地質資料、鉆探結果、探測結果之間的相互印證，形成準確、完整的預報報告，以有效了解巖溶隧道的地質結構情況和巖溶變化情況，識別隧道潛在的安全風險，為后續的工程項目建設奠定基礎。

參考文獻

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[5]邢紹川.富水巖溶隧道施工技術研究[D].北京：北京交通大學， 2015.

收稿日期：2024-07-15

作者簡介：陳士鐘（1990—），男，本科，助理工程師，研究方向：橋梁隧道工程檢測。