綜合地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在巖溶區(qū)隧道施工中的應(yīng)用

蘇文俊, 侯宗博

（中鐵二院西北勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

地質(zhì)突變是影響隧道安全施工的重要因素之一。由于經(jīng)濟技術(shù)條件的限制,在勘察設(shè)計階段很難完全準(zhǔn)確地掌握隧道不良地質(zhì)及其分布,因而需要依靠施工中的超前地質(zhì)預(yù)報來指導(dǎo)施工,避免工程災(zāi)害[1]。常用的超前地質(zhì)預(yù)報方法有：地質(zhì)分析法，地質(zhì)雷達(dá)法紅，外探測法及超前水平鉆探等。而單一的預(yù)報手段都有其適用性與局限性，本文以某公路隧道為例，對幾種預(yù)報方法進(jìn)行對比分析，研究采用綜合地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對該隧道進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用問題。

1 工程的地質(zhì)環(huán)境概況

某公路隧道位于湖北省大冶市境內(nèi)，全長 968 m。隧道區(qū)大地構(gòu)造屬揚子準(zhǔn)地臺太子廟褶束，地處復(fù)背斜北翼，受斷陷帶的影響，區(qū)域地層被一系列與褶皺為同一構(gòu)造應(yīng)力場的北西向多期活動斷裂和橫向斷裂所破壞，隧道區(qū)地層主要由三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）灰?guī)r組成，巖層產(chǎn)狀 62°～90°∠25°～36°，其周邊在燕山早期和晚期多次被各類閃長斑巖、閃長巖、二長巖等巖體侵入，形成巨大的侵入巖體。該隧道地質(zhì)條件比較復(fù)雜，隧道頂部山體巖溶發(fā)育，局部平坦處發(fā)育巖溶洼地和巖溶豎井。受構(gòu)造影響，隧道區(qū)發(fā)育斷裂，均為壓性逆斷層。

隧道處屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌區(qū)。山體走向為近東西向，呈窄長條狀，南北兩側(cè)為寬緩的壟崗?fù)莸?。隧道軸線呈200°穿越山體，隧道軸線經(jīng)過地段地面高程在37～290 m之間，最大相對切割深度約250 m。隧道進(jìn)口地形坡度較陡，自然坡角約為 30°～40°，出口地形坡度也較陡，自然坡角約為25～35°，大部分基巖出露，植被發(fā)育。山體頂部呈渾圓狀，相對寬緩，發(fā)育一巖溶洼地。

隧道區(qū)地下水較發(fā)育，主要為基巖裂隙水、巖溶裂隙水、構(gòu)造裂隙水。

隧道區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，主要有兩個大的斷裂帶（F4、F5）。F4斷裂在里程樁號 ZK169+370、YK169+380與線路相交，走向NW-SE向，傾向SW，傾角80°，長約1.2 km，斷裂帶寬約25 m，斷裂帶內(nèi)巖石較破碎，性質(zhì)為壓性逆斷層；F5斷裂在里程樁號ZK169+520、YK169+530處與線路相交，斷裂走向NW-SE向，傾向NE，性質(zhì)為壓性逆斷層，長約1.2 km，斷裂帶寬約20 m，斷裂帶內(nèi)巖體較破碎。

2 幾種超前地質(zhì)預(yù)報方法簡介與比較

2.1 地質(zhì)分析法

主要是根據(jù)隧道洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查和隧道施工期掌子面地質(zhì)條件調(diào)查結(jié)果，通過地質(zhì)作圖及其構(gòu)造相關(guān)性分析，從而推斷出掌子面前方可能存在的地質(zhì)情況[2-3]。對于有經(jīng)驗的工程地質(zhì)人員，該法是最為可靠的方法，有的文獻(xiàn)甚至將其它一切探測技術(shù)列為地質(zhì)分析法的輔助手段[4]。

針對巖溶隧道，地質(zhì)分析一般應(yīng)進(jìn)行以下工作：

(1) 查明隧道線路穿越的不同地質(zhì)構(gòu)造單元上區(qū)域巖溶發(fā)育規(guī)律；

(2) 認(rèn)定不同地下水類型中巖溶管道的補給區(qū)和集中排泄點，分析地下水的可能徑流方向，結(jié)合地層巖性特征、地層產(chǎn)狀、褶皺、斷層、節(jié)理等地質(zhì)因素，推斷巖溶管道的平面分布位置；

(3) 確定巖溶管道分布與隧道線路交匯的里程范圍和巖溶發(fā)育深度與隧道設(shè)計標(biāo)高的關(guān)系；

(4) 預(yù)測巖溶災(zāi)害是泥、砂或砂水混合物，即依據(jù)巖溶管道補給區(qū)范圍內(nèi)松散沉積物的分布、成因、巖性特征和厚度等判定地下泥石流特征，在確定地下水類型、隧道位置與巖溶管道部位關(guān)系的基礎(chǔ)上確定地下水的動水壓力和靜水壓力，涌水、突水災(zāi)害水量等，最后作出突水或地下泥石流的判斷。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)是利用超高頻窄脈沖電磁波探測介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法。其工作原理如下：超高頻窄脈沖電磁波（106～109Hz）通過發(fā)射天線被隧道前方掌子面，經(jīng)存在電性差異的目標(biāo)體（如空洞、裂隙、巖溶等）反射后返回地面，由接收天線所接收。高頻電測波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過的介質(zhì)的電性特征及幾何形態(tài)變化。故根據(jù)接收波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形等參數(shù)便可推斷掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造。實際上，電磁波在介質(zhì)界面產(chǎn)生反射就是因為兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)不同，差異越大反射信號越強烈，反之反射信號越差。其缺點是雷達(dá)記錄時易受洞內(nèi)機器干擾，其次探測距離短， 約 20～30 m[5]。

2.3 紅外探測

紅外探測的原理為用紅外測溫原理探測局部地溫異?，F(xiàn)象，并藉此判斷地下脈狀流、脈狀含水帶和隱伏含水體等所在的位置。紅外探測屬非接觸探測。探測時在隧道邊墻或斷面上定好探測位置，用儀器的激光器在確定好的探測位置上打出一個紅色斑點，扣動扳機，就可在儀器屏幕上讀取圍巖場強探測值，并做好記錄。然后轉(zhuǎn)入下一序號點。探測完畢，根據(jù)所測場強值繪出一系列的曲線。當(dāng)隧道掌子面前方圍巖的介質(zhì)相對正常時，所獲得的紅外探測曲線近似為直線，離散度較小，即為正常場。反之，當(dāng)掌子面前方或隧道外圍存在含水構(gòu)造時，曲線上的數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變，含水構(gòu)造產(chǎn)生的紅外輻射場疊加到圍巖的正常輻射場上使探測曲線發(fā)生彎曲，形成異常場。紅外探測的有效預(yù)報距離可達(dá)20～30 m[6]。

2.4 超前水平鉆孔

超前水平鉆探是隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報方法中最直接的方法。超前鉆孔是在掌子面布設(shè)探孔，采用水平鉆機進(jìn)行超前鉆探，根據(jù)鉆機在鉆進(jìn)過程中的推力、扭矩、鉆速、成孔難易、所采取的鉆孔巖芯、涌水量、水壓測試、水質(zhì)分析，及相關(guān)試驗獲取隧道掌子面前方巖石（體）的強度指標(biāo)、可鉆性指標(biāo)、地層巖性資料、巖體完整性程度指標(biāo)及地下水狀況等諸多方面的直接資料。超前水平鉆孔是最直觀、最可靠的超前探測技術(shù)，但其探測范圍有限，且對于探測到大量水體或含氣層時極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害[6-8]。

2.5 主要預(yù)報方法特點比較

地質(zhì)分析法、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測與超前水平鉆孔作為巖溶地區(qū)隧道地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報方法，各具優(yōu)缺點與適用條件，需要科學(xué)地比對，在合適的圍巖條件與適宜的工作時間下采用，才能有效與經(jīng)濟地發(fā)揮各種方法的作用。各方法的特點如表1所示。

3 工程實例

YK169+127掌子面圍巖為三疊系大冶組弱～強風(fēng)化薄層狀褐黃色、褐色灰?guī)r，經(jīng)現(xiàn)場工作人員調(diào)查測量，巖層單層層厚2～10 cm不等，層理發(fā)育，層間不同程度泥質(zhì)膠結(jié)，結(jié)合較差，巖層產(chǎn)狀94°∠35°。巖石風(fēng)化不均，局部風(fēng)化較強烈，呈半土半巖狀，層理隱約可見。圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈裂隙塊狀、碎塊鑲嵌結(jié)構(gòu)。地下水發(fā)育，該范圍掌子面拱頂至左拱腰普遍滲水，地下水沿超前錨桿呈股狀涌出，此外掌子面中部亦見滲水現(xiàn)象。水質(zhì)清澈，無攜帶物質(zhì)，總流量約1 L/s，水壓力很小，推測其屬基巖裂隙水。

表1 主要預(yù)報方法特點

3.1 隧道巖溶地質(zhì)分析法結(jié)果

根據(jù)隧道所處地形地貌與水文地質(zhì)條件，特別是地下水（泉）出露和周邊河溪標(biāo)高，對隧道穿越地段進(jìn)行巖溶水動力垂直與水平分帶[8-10]，如圖1。由圖1和工區(qū)的現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查可以從宏觀上了解該隧道大致的巖溶地質(zhì)條件。為保證安全，避免盲目施工，再在地質(zhì)調(diào)查分析的基礎(chǔ)上制定詳細(xì)的巖溶預(yù)報方案，最大程度上防止因施工而導(dǎo)致的巖溶地質(zhì)災(zāi)害。

圖1 隧道巖溶地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 Geological sketch section of tunnel.

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測成果剖面圖Fig.2 GPR profile at YK169+ 128.

3.2 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報結(jié)果

該隧道右洞開挖至里程 YK169+128處，掌子面圍巖為灰?guī)r，微風(fēng)化，顏色由灰色變?yōu)楹贮S色—褐色，局部節(jié)理間發(fā)現(xiàn)有泥水浸染的跡象。據(jù)圖 1及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查推測，隧道已掘進(jìn)至垂直下滲帶，巖溶裂隙水較發(fā)育，且位置分散。由于地質(zhì)雷達(dá)對短距離內(nèi)溶洞和水探測準(zhǔn)確率高，選用瑞典RAMAC/GPR地質(zhì)雷達(dá)對掌子面前方20 m進(jìn)行探測。在隧道距底板1 m高的上臺階掌子面處布置水平測線。圖2 為地質(zhì)雷達(dá)探測成果剖面圖。

由圖2可得，在測線0～2 m范圍、掌子面前方4～5.2 m處與測線5.6～7.2 m范圍、掌子面前方2.4～4 m處物探異常，推測可能為構(gòu)造破碎區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場情況判定前方圍巖含水可能性較大。從而給出隧道施工建議：(1)YK169+128～YK169+140段，長12 m，預(yù)判該段圍巖級別為Ⅳ級偏弱，建議加強支護及防排水，同時加強超前鉆探，探明掌子面前方圍巖的含水情況，確保施工安全。為使水平鉆探更具有針對性，孔位置參照地質(zhì)雷達(dá)探測成果進(jìn)行布設(shè)。(2)建議加強開挖揭露圍巖地質(zhì)情況的跟蹤觀察，作好地下水的動態(tài)跟蹤觀測，作好素描與記錄。

當(dāng)開挖至 YK169+132時，隧道頂拱左側(cè)出水量較大，在一定程度上驗證了地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報的準(zhǔn)確性。施工單位在預(yù)報建議的指導(dǎo)下，及時施作了超前支護，有效的防止了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

3.3 紅外探測結(jié)果

由于地質(zhì)雷達(dá)操作比較繁瑣，占用施工時間較多，要求有專業(yè)人員進(jìn)行波相的識別與解譯，所以在隧道開挖掘進(jìn)過程中不可能跟隨掌子面開挖進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，只能在關(guān)鍵性地段進(jìn)行預(yù)報。而紅外探測具有便攜、快捷的特點，所以一般選用紅外探測隨時對掌子面前方30 m范圍內(nèi)含水體進(jìn)行預(yù)報。

該隧道ZK169+648～ZK169+678段，采用HY-303紅外探測儀進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報。在隧道左右邊墻、左右拱腳、拱頂和隧道底部縱向沿隧道中線方向布置6個系列的測線。每個系列測線由開挖面向洞口方向每5 m布設(shè)1個探測點，探測12點。掌子面從上到下間隔1.5～2.0 m布置一條測線，共布置3條測線，每條測線間隔2 m布設(shè)1個探測點。表2為掌子面紅外場強探測數(shù)據(jù)，圖3為隧道縱向布線紅外場強探測數(shù)據(jù)生成曲線。

如圖3所示，測線5（左拱腳）與測線6（右拱腳）存在突變，尤其測線5在結(jié)尾處呈上揚趨勢。結(jié)合表2，各開挖面紅外場強數(shù)據(jù)X、Y最大差存在較大離散性。綜合判斷在掌子面前方30 m內(nèi)，右拱腳附近存在含水體的可能性較大；左拱腳附近可能存在含水體。

表2 開挖面紅外場強探測數(shù)據(jù)

施工中，當(dāng)掌子面開挖至ZK169+655時，頂拱滴水呈線狀，左右拱腳滲水，驗證了紅外探測在此次預(yù)報中呈現(xiàn)較高的準(zhǔn)確性。

超前水平鉆孔由于操作簡單，限于篇幅，在此不再贅述。

圖3 ZK169+648（左洞）紅外探測曲線Fig.3 Infrared detection curves at ZK169+ 134 (left hole).

4 結(jié)論

(1) 在本隧道中采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)準(zhǔn)確的進(jìn)行了地質(zhì)預(yù)報，很好的避免了巖溶地質(zhì)災(zāi)害對隧道施工的影響，對本工程其他巖溶區(qū)隧道的施工具有借鑒意義。

(2) 根據(jù)每種預(yù)報技術(shù)的特點，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查情況和現(xiàn)場實際施工情況，選用或結(jié)合多種超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，如地質(zhì)調(diào)查分析法、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測、水平鉆孔等，可以使預(yù)報結(jié)果更為準(zhǔn)確，最大程度地滿足施工要求。

(3) 每一種預(yù)報方法都有其適用條件；物探法也只有在以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)的情況下，根據(jù)地質(zhì)分析的結(jié)果有選擇的選用，才能發(fā)揮更大的作用，忽略任何一方都將使預(yù)報效果事倍功半。

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