綜合超前地質預報方法在長大風險隧道中的應用

王 勇，羅芳培

(1.中鐵二局股份有限公司，四川成都 610031;2.成都暢達通科技發展有限公司，四川成都 610041)

由于長大風險隧道地質條件的復雜性、多變性，在勘察階段要準確無誤地確定隧區地質巖體的狀態、特征，并準確預測隧道施工中可能引發的地質災害的位置、規模及性質是十分困難的。我國自20 世紀80年代以來，在隧道施工中陸續開展了超前地質預報工作，并逐步貫穿于隧道施工的全過程，取得了較好的效果［1］。

本文以成渝鐵路客運專線縉云山隧道為工程背景，介紹施工階段重視和加強超前地質預報，建立超前地質預報系統，最大限度地利用地質理論和先進的超前地質預報技術，預測預報掌子面前方的地質情況，對于安全施工、提高工效、縮短施工周期、避免事故損失具有重大意義。

1 工程概況

縉云山隧道是成渝客專中的一條長大風險隧道，位于重慶市境內壁山～九龍坡區段，起訖里程DK275+355～DK278+530，全長3175 m。隧區屬丘陵地貌，丘槽相間，地形波狀起伏，地面高程327～637 m，相對高差20～100 m，最大埋深約300 m。隧道地處剝蝕低山地貌，地形受構造控制。隧區位于新華夏系四川沉降帶川東褶皺帶中，隧區主體構造為溫塘峽背斜。隧區圍巖松軟，巖體破碎，節理、裂隙發育，以Ⅳ和Ⅴ級圍巖為主。隧道穿越煤系地層，為低瓦斯隧道，局部有瓦斯積聚的可能，安全風險大。

2 超前地質預報目的

施工階段的地質工作，即超前地質預測預報，是設計階段地質工作的繼續。因此，施工超前地質預報的目的，是進一步落實設計的地質情況，修正、完善設計的工程地質和水文地質資料，以保證實施的施工方案的正確性，防止施工坍方、瓦斯突出或突涌水等地質災害發生。

3 超前地質預報方案

鑒于縉云山隧道施工存在坍方、瓦斯突出等風險，一旦發生將產生災難性后果。因此，根據目前國內外的經驗，為確保縉云山隧道的施工安全，并較準確地預報前方不良地質情況，采用綜合超前地質預報方法比較科學。根據現場的實際情況，合理的采用多種預報手段，揚長避短，相互補充，相互驗證、多角度、多參數地對掌子面前方的地質情況進行預報。

具體實施方法為:建立宏觀預報、長距離預報與中、短距離預報相結合、地質探測與物理探測相結合的多步預報預警機制，構成低瓦斯隧道施工的地質綜合預報系統，進行不良地質情況的超前預報。綜合超前地質預報的具體流程如圖1所示。

圖1 綜合超前地質預報流程

4 超前地質綜合預報“三階段”方案

4.1 宏觀預報

隧道所在區域的地質分析和宏觀預報是超前地質預報的基礎和前提，是隧道高水平不良的施工地質災害超前預報不可或缺的第一道工序。只有在地質分析和宏觀預報的指導下，才能更準確、更有效地實施下一步的洞體不良地質體地質超前預報、超前鉆探、判斷和臨近預警等后續預報工作［2］。因此，在進場施工前，指派地質人員對設計院提交的地質勘察資料進行復核，必要時輔以現場地面調繪，對隧道的地層分界線、對地層巖性、斷層產狀、斷層出露位置及規模、節理裂隙發育、隧道圍巖類別作進一步的落實，對可能涌水段等工程地質問題進行預測。

4.2 長距離預報

長距離預報是以宏觀預報為指導，以地質分析及長距離物理探測方法相結合為手段，預測掌子面前方100～150 m范圍內存在的巖層分界線、破碎帶和涌水突泥等不良地質體的發育位置及規模。

4.2.1 地質分析法

由于縉云山隧道的主體構造為溫塘峽背斜，根據斜井超前隧道正洞所揭示的地質情況，使用地質分析法可推斷隧道正洞的地質情況，并對預報段進行重點關注。

4.2.2 陸地聲納法

陸地聲納法是用錘激震源以及檢波器和儀器結合，可激發和接收從10～4000 Hz 的波，然后通過分窗口帶通濾波提取不同頻段的反射波，高頻段的反射波可反映薄層和大節理等和小溶洞，低頻段的反射波可反映較大的斷層、較厚的巖脈、巖層和大溶洞，通過不同頻段反射的圖像對比，可以分辨不同的不良地質體［3］，每次預報需0.5 h。

4.3 中短距離預報

中短距離超前地質預報是在長距離超前地質預報的基礎上進行的，預報掌子面前方20～50 m 范圍內的不良地質情況，判斷圍巖類別等。所采用的預報方法有地質雷達法、超前鉆孔探測和加深炮孔探測。中、短距離預報是在長距離預報的基礎上進行的，所以預報的精度一般要超過長距離預報，特別是對不良地質性質的預報，對地質災害而言，相當于臨災預報。

4.3.1 地質雷達法

地質雷達能預報掌子面前方地層巖性的變化，對于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識別能力，但探測的距離較短，大約在20～30 m 之間，同時雷達記錄容易受到干擾［4］。主要考慮在接近陸地聲納法探測的異常段前方對其進行復查和確認，硬件采用拉脫維亞生產的Zond－12e 地質雷達儀，75M 偶極非屏蔽天線，軟件采用礦大GR 雷達處理分析系統，每次預報需20 min。

4.3.2 超前地質探孔(30 m，不取芯)

使用YGL－100A 型潛孔鉆機實施超前地質鉆孔探測，鉆進30 m 約需4 h。該鉆機可顯示和記錄鉆進過程中即時的鉆孔深度、鉆進速度、推進力、轉速、扭矩、進水量、進水壓力、打擊能以及變化曲線［1］。現場技術人員對鉆進過程進行全程監控，當上述參數有異常變化時，記錄下鉆孔深度，觀察鉆孔沖洗液顏色是否變化，沖洗液水量是否增加，判斷是否遇到瓦斯地帶、破碎帶或富水帶。在接長鉆桿的間隙由現場技術人員采取巖粉判定前方巖體的巖性。鉆進結束時對鉆孔涌水量和水壓進行測量，鉆進過程輔以拍照或攝像記錄。根據對鉆機記錄的數據和鉆進全程監控資料的綜合分析，得出前方圍巖的巖性和水文特征。

縉云山隧道DK275+510～DK277+405 段落范圍內，每個斷面布設3個108 探孔，DK275+405～DK278+490 段落范圍內，每個斷面布設1個108 探孔。探孔長度30 m 左右，相鄰探孔搭接長度5 m。隧道超前地質探孔布置示意圖如圖2 所示。

圖2 超前地質探孔布置示意

4.3.3 加深炮孔(5 m)

在每次開挖循環進行爆破鉆孔施工時，若遇到超前地質長探孔未發現的異常情況時，立即通過YT－28 風鉆或鑿巖臺車等將鉆孔加深作為超前短探孔。每斷面均勻選取3個孔，探孔深度加深至5 m，并與在掌子面已存在的長探孔位置相互錯開，通過對短探孔鉆進中鉆進速度、沖洗液的變化、巖粉性質、涌水量、水壓等數據進行分析，進一步探明掌子面前方的工程地質條件。

綜上所述，縉云山隧道的綜合超前地質預報方法如圖3所示。

圖3 綜合超前地質預報示意

5 結束語

(1)長大風險隧道地質情況復雜，必須將超前地質預報工作納入施工工序中，配備相關人員、設備，以保證工程快速、經濟、安全、順利進行，避免災害發生。

(2)詳細的勘察工作是建立宏觀預報的基礎，在充分研究勘察設計階段地質資料的基礎上，將各種方法與技術有機結合，合理確定超前地質預報的方法，建立超前地質預報系統。只有在宏觀預報的指導下，才能發揮各種地質超前預報方法的技術優勢，準確、有效地實施洞內不良地質體超前預報和施工地質災害監測，以及臨近預警等后續預報工作。

(3)因地制宜綜合應用各種超前地質預報方法，相互印證與補充。地質分析方法作為基本方法必須加強，各種物探技術作為快速“偵察”手段應大力發展［1］，超前地質探孔法在地質復雜地段必須堅持應用，并納入施工組織設計。

［1］荊志東.特長隧道地質超前預報方法研究［J］.鐵路勘察，2005(3)

［2］王光權.物探方法在圓梁山隧道超前地質預報中的應用［J］.物探與化探，2005(4)

［3］鐘宏偉，趙凌.我國隧道工程超前預報技術現狀分析［J］.人民長江，2004(9)

［4］代高飛，夏才初，毛海河.地質雷達在隧道超前預報中的應用［J］.西部探礦工程，2004(9)