福建省高速公路隧道超前地質預報工作分析與展望

(福建省高速公路建設總指揮部，福州 350001)

福建省高速公路隧道超前地質預報工作分析與展望

■陳禮彪 施燕秒

(福建省高速公路建設總指揮部，福州 350001)

隧道工程施工過程中，經常遇到大變形、坍塌、突泥、涌水等地質災害，給施工安全帶來重大災難和無法估量的經濟損失。為了確保隧道施工安全，對掌子面前方不良地質體的發育情況進行準確及時預報，是當前隧道建設中亟待研究與解決的關鍵問題。本文結合福建省高速公路隧道建設情況，首先介紹我省隧道超前地質預報技術的應用特點；然后，重點介紹和分析福建省內隧道超前地質預報工程典型案例，給出技術層面和管理層面存在的主要問題；最后，結合多年的實踐，總結隧道不良地質體預報的有效方法和將要開展的研究熱點和難點，并對下一步所要開展的工作進行深入探討，對我國推動隧道超前地質預報技術的創新提供幫助和指導。

隧道工程 不良地質體 超前地質預報 TSP GPR

1 引言

由于隧道等地下工程深埋地下，工程地質和水文地質條件復雜多變，期望在勘測設計階段完全查明隧道穿越區域的地質條件、巖性，特別是不良地質體的確切位置、規模等是十分困難的，也是不切實際的。而隧道等地下工程施工過程中，經常會因突然遇到斷層破碎帶、巖溶發育帶、突泥和富水帶等不良地質體，沒能及時采取有效措施，從而導致大變形、坍塌塌方、涌水突泥、涌砂等災害發生，有的甚至造成重大人員、財產損失。鑒于地質因素是決定隧道建設順利與否的關鍵，隧道施工過程準確、及時地預測掌子面前方的地質條件被國內外的科研和工程技術人員普遍關注[1-4]。

福建地區地形、地貌和地質條件獨特，隧道穿越區地質復雜，斷層、破碎帶、富水帶、巖溶等不良地質體時有發育，并時常伴隨隧道的坍塌、涌水等地質災害發生。因此，福建省從2006年起普遍開展隧道超前地質預報工作，取得了良好成效，積累了一定經驗，但也存在一些亟待解決的實際問題。本文從高速公路隧道建設管理實際出發，系統總結和分析福建高速公路隧道工程建設中地質超前預報工作，提出改進意見，具有現實意義和指導作用。

2 福建省高速公路隧道建設概況

2.1 建設概況

這些年來，福建省高速公路隧道建設不論是量，還是質，乃至困難復雜程度，均取得豐碩成果。截止2014年底，福建省高速公路建成通車逾4000km， (其中雙向八車道高速公路230km)，建成隧道達502km/ 371座。目前在建高速公路里程1250公里，其中隧道304km/176座。

正在施工和已建成隧道各具特色。從隧道斷面形式看，有3+2車道不對稱連拱隧道 (機場路一期馬宅頂隧道)、小間距四車道連拱隧道+小間距群體隧道 (機場路二期金雞山隧道)、S曲線隧道 (邵三路口隧道、永武古石背隧道)、上下層疊隧道 (泉廈擴建大坪山隧道)。在小間距隧道方面，還建成了小間距大斷面原位擴建隧道(泉廈擴建大帽山隧道)。從規模來說，有正在建設的長達9.2km的福州京臺牛巖山隧道。從遭遇的地形地質看，有大偏壓長距離軟巖極破碎圍巖段隧道，有穿過與上部水庫相連通的富水破碎帶段落，甚至出現突發涌水涌泥的情況。已建成的典型隧道照片見圖1～3。

根據海西高速公路規劃調整方案，福建還將建設約千公里高速公路及部分項目擴建，據測算，隧道將達120km以上。由于后續項目將更多地向山區推進，可以預計，不論隧道路線選擇、斷面布設等，還是隧道地質條件、作業環境，都將更加復雜艱巨，隧道建設的難度更大。

圖1 馬宅頂隧道

圖2 金雞山隧道

圖3 大帽山隧道

2.2 地質概況

2.2.1 區域地質構造[5]

福建省的大地構造位置，處于華南褶皺系東部。自晚太古代以來地質構造運動十分頻繁，以致地殼在縱向上，無論是變質基底或是蓋層都具有多重結構特征；而表殼構造則以脆－韌性斷裂及推覆、滑脫構造尤其脆性斷裂極其發育為特色。各地層、巖石的分布明顯地受構造 (斷裂)控制，大體構成了“東西分帶、南北分塊”的基本構造格架。省內的北北東－北東東，北西－東西及南－北走向斷裂十分發育，最突出的是南平－寧化斷裂帶與政和－大坪構造－巖漿帶相交匯，將福建省割切為閩西北隆起帶、閩西南拗陷帶及閩東火山活動帶三個不同的構造單元。因燕山期強烈的斷裂逆沖作用及巖漿侵入活動，還形成了閩東南濱海斷隆帶這一獨立構造單元。目前，區域地質構造活動進入相對穩定期，一般未見對工程建設，尤其隧道建設有明顯影響的活動性大構造或大斷裂。

2.2.2 隧道建設遇到的典型地質災害

福建隧道地質復雜，巖石種類繁多，地層比較齊全，巖石褶皺、斷裂、節理等構造發育，很多地質構造(裂隙)帶又是富水帶，建設中遭遇的泥巖等軟巖、含高嶺土蒙脫石等親水礦物的膨脹巖不少，閩西、永安地區還偶見巖溶發育或溶洞及煤系地質。對深埋高地應力區隧道，還存在巖爆可能。閩東南沿海亦出現多座高地溫隧道。

這些不良地質現象對隧道建設、施工安全和建設成本影響巨大。若預測和處置不當，將可能導致隧道施工期出現嚴重地質災害、質量安全事故，甚至引發地面塌陷、地表水源枯竭等生態環境災害。初步統計，福建省高速公路隧道施工中遭遇到的典型地質災害現象包括：洞內較大規模以上坍塌約20次 (如：漳龍斗米2號隧道、邵三項目北村隧道、龍長羅卜頂隧道、泉三曹源隧道、浦南搖前隧道、南平寧武橫塬隧道、漳州沈海復線寶峰隧道、龍巖廈蓉擴建后祠隧道)，大型涌水5次(如：泉三三陽隧道、龍巖雙永云中山隧道、莆田沈海復線錦峰隧道、龍巖漳永和新隧道、寧德京臺黃竹山隧道)、較大規模突水涌泥5次 (如：廈安石鼓山隧道、龍長移爐隧道、永寧石林隧道、廈成天成山隧道、靖海福山隧道)，巖爆5次 (如：三福美菰嶺隧道、福永項目湖臺隧道、鐵崗山隧道、泉州莆永石鼓山隧道、寧德京臺黃竹山隧道)；高地溫 (如：漳州長泰美宮項目獅子頭隧道、福永湖臺隧道)。龍長京源口隧道、泉三三陽隧道等曾出現規模不等溶洞。龍巖永武龍井隧道、雙永聯金隧道、西陂隧道、可堂隧道及三明泉三下渡隧道、龍長京源口隧道等遭遇過煤系地質。典型地質災害隧道的照片見圖4～7。

圖4 雙永高速西陂隧道圍巖坍塌

圖5 雙永高速可堂隧道坍塌及股狀水

圖6 泉三高速下渡隧道煤系地層及股狀涌水

圖7 永寧高速石林隧道突泥及涌水

3 福建省隧道超前地質預報工作開展情況和特點

公路部門隧道超前地質預報工作起步比鐵路部門晚，20世紀90年代開始在一些長大重點公路隧道和地質條件復雜隧道建設中開展超前鉆孔等預報。福建省高速公路在2001年開工的京福一期的少數隧道施工中，由施工單位自行安排開展了監測預報工作，但未列專項費用，也沒有進行過檢查考核。自2006年開工的泉三高速公路開始，地質預報工作作為隧道施工過程的一項重要工序和基本要求進行管理，在施工招標時就作為強制性要求予以落實。相繼實行“項目業主牽頭招標，獨立第三方負責監測預報”工作。目前，普遍是施工單位進場后，由項目業主統一組織公開招標，由業主、施工單位、地質預報單位簽訂三方合同。

從近年預報工作實踐來看，福建省高速公路隧道地質預報工作呈現以下特點：

(1)普遍采用物探與地質分析相結合的方法開展預報。能夠根據復雜的地質條件，采取綜合性預報手段。在物探方法中，當前國內外普遍應用的電磁波法 (地質雷達)、地震波法 (TSP)、紅外法 (紅外探測儀)，在福建均有采用。對出現涌水突泥等特別復雜地段，還采用超前鉆探等手段驗證。

(2)全覆蓋、全程實施。對隧道的各洞室、隧道全程，采用長、短距離預報相結合的方法強制推行。

(3)能夠及時報告，及時分析，進行階段性回顧總結。

(4)由專業隊伍擔當。一般由具有公路工程試驗檢測資質、工程勘察綜合類資質、工程勘察專業類巖土工程資質的法人單位承擔。具體大多以科研院所、高校和道路勘察設計單位為主體承擔。從業人員涉及測量、地質、物探、路橋等專業。

4 工程實例與存在的主要問題

4.1 工程實例

實行隧道超前地質預報工作以來，福建省高速公路隧道施工期地質預報工作，總體上取得較好成效，成功地預報了一些典型的強風化破碎帶、構造帶等不良地質體，在施工單位、業主重視下，通過預置對策，有效避免了地質災害的發生。如，建泰高速公路泰寧隧道右斜井F22斷層，準確預報設計文件中推測尖滅F22斷層的存在；南平松建高速公路鐘山隧道左線出口F411斷層，預報比設計提前約50m出現，與實際開挖后的情況基本吻合。同時，省內也存在由于超前地質預報工作開展不到位，造成較大安全事故的隧道，如南廈項目石鼓山隧道右洞曾出現過的較大規模的突泥涌水事故。

4.1.1 泰寧隧道F22斷層的預報

建泰高速泰寧隧道全長7040m，最大開挖斷面約120m2，最大埋深約700m，屬特長、深埋、高地應力隧道。隧道場區處于閩西華夏系武夷山脈隆起帶與新華夏系閩西隆起帶范圍內，屬于斷塊差異活動區，斷裂構造發育，多以擠壓性片理帶、裂隙密集帶、破碎帶及部分構造角礫巖帶等出現。隧道區地下水主要為風化基巖中的裂隙-孔隙水和構造裂隙水；洞身圍巖主要為加里東期侵入巖花崗巖以及侏羅系下統或中統粉砂巖、砂巖類；隧道圍巖從洞口向里依次為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ和Ⅱ級[6]。

在隧道中段開挖斜井，作為隧道施工開挖通道和運營通風通道，斜井在主洞YK20+690到YK21+529范圍內 (其里程樁號為JYK0+000～JYK0+822.6)。此區間地表為剝蝕丘陵地貌，植被發育，地形起伏較大，西部平坦，向東地勢逐漸增高，地表分布第四紀粘性土及殘積粘性土，下覆花崗巖。勘探結果顯示，地表南北走向出露F22斷層，產狀為250°-270°∠78°，地表出露在YK21+070(JYK0+406)到YK21+120(JYK0+456)之間，與隧道軸線基本垂直，此斷層向下逐漸尖滅，基本不對斜井和正洞造成影響。正洞、斜井與F22斷層之間的斷面關系如圖8。

圖8 正洞、斜井與F22斷層間的平面圖

斜井的超前地質預報采用長距離的TSP和短距離的地質雷達全程覆蓋同時進行。本區段TSP的預報里程為JYK0+698～JYK0+812，圖9～10為探測分析圖。通過TSP探測成果圖分析，在區間JYK0+753～JYK0+775內，縱、橫波波速顯著降低，縱波波速由4720m/s降到4150m/s，橫波波速由2530m/s降到2180m/s；泊松比由0.21增大到0.32，明顯增大；密度由2.70下降到2.60，顯著降低。因此，通過TSP結果推斷此區段節理、裂隙發育，巖體破碎，且含水量較大，推測可能為地表出露的F22斷層的地下延伸體。

圖9 反射層提取圖

圖10 預報結果2D視圖

地質雷達探測區間為JYK0+740～JYK0+765，圖11為雷達探測成果圖，可見，掌子面前方15m后 (JYK0+ 755)反射波振幅明顯增加，同相軸間斷、分叉，推測該段巖體破碎，呈碎塊狀結構，節理裂隙發育，含水量大。此位置距TSP探測成果接近，推測前方15m后可能為地表出露的F22斷層的地下延伸體。

圖11 地質雷達超前探測結果

隧道斜井實際開挖到斷面JYK0+748時，沿著鉆孔炮眼有夾雜花崗巖殘積土和斷層泥的地下水噴出，噴水量每天約700m3，掌子面素描及其出水照片如圖12所示。

當隧道開挖到斷面JYK0+754時，揭示的F22斷層如圖13所示，F22斷層的預報結果同實際揭露位置基本一致。對F22斷層向地下延伸情況進行了準確預報，修正設計文件，預報結果準確及時，為隧道順利通過本斷層破碎帶提供了基礎資料和指導。

圖12 JYK0+748掌子面地質素描及涌水示意圖

圖13 JYK0+754揭示的F22斷層示意圖

4.1.2 石鼓山隧道右洞YK12+198不良地質體的預報

福建省南安金淘至廈門高速公路石鼓山隧道全長6005m，雙洞六車道隧道，最大開挖斷面約160m2，最大埋深近500m。隧道處于構造剝蝕微丘地貌，地形呈波狀起伏，溝塹較多，植被發育。根據地質勘察報告揭示，隧道近場區地質構造主要受區域性北東向長樂—詔安斷裂帶和北西向永安—晉江構造帶的控制，未見有明顯的大的斷裂構造及活動性構造通過，地質構造條件相對穩定。隧道區主要發育北北東向和北西向的次級構造，以節理裂隙密集帶為主。洞身圍巖為侏羅系南園組凝灰熔巖及其風化層、局部凝灰熔巖中夾薄層砂質泥巖、粉砂巖。洞體II、III級圍巖級別約占全隧三分之二。隧道區地下水主要為風化巖中的孔隙水和構造裂隙水，節理裂隙帶和斷層構造帶易成為地下水滲流通道[7]。

隧道右洞出口端進洞1.4km、掌子面施工至YK12+ 198時，掌子面右側拱腰處突然大量出水，在導水、噴護應急處置作業期間，2日內兩次引發大規模突水涌泥，并致右側拱腰處垮塌，形成高達3m、長約45m、寬及全隧的泥沙石塊堆積體，高峰時出水量達2000m3/h (見圖14)。雖然處置該事故占用了約5個月的施工時間和相應資金，幸虧人員、設備撤離及時，才未致更大的損失。

圖14 石鼓山隧道YK12+198突泥涌水

結合專家現場考察和事故原因分析，可以看出，該事故的發生，與地質預報工作不到位關系密切。

此區段僅采用地質雷達在掌子面YK12+204上進行單一物探方式的探測，探測區間為YK12+204～YK12+ 174，共30m，地質雷達探測成果如圖15所示：

圖15 YK12+204掌子面地質雷達探測成果圖

超前地質預報單位給出的預測結果為：

YK12+204～YK12+200區段施工圍巖節理裂隙較發育，巖體較破碎，呈碎塊狀鑲嵌結構，圍巖為Ⅲ級；

YK12+200～YK12+182區段節理裂隙發育，巖體較破碎，主要呈碎裂結構，局部區域可能有裂隙水發育，圍巖為Ⅳ級；

YK12+182～YK12+176區段節理裂隙不十分發育，圍巖完整性較好，主要呈塊狀結構，圍巖為Ⅳ級；

YK12+176～YK12+174區段節理裂隙發育，巖體較破碎，主要呈碎裂結構，圍巖自穩能力較差，圍巖為Ⅳ級。

分析其超前地質預報工作的方法及結果，可以發現以下一些不足：

(1)預報方法、手段不到位：突水涌泥處對應地表為三個方向的自然降水的匯集處，易成為裂隙構造的地表水補給源，時值雨季施工，但在隧道超前地質預報的洞內外綜合分析中未對此引起足夠重視。此重點預報區段的科學探測方式應該是在洞內外綜合分析的基礎上，采用長距離的TSP或TGP，與短距離的GPR相結合的綜合探測方法，顯然，此區段的超前地質預報工作在技術、方法上有失偏頗。

(2)預報針對性不到位：隧道設計文件顯示，在隧道右線YK12+140～YK12+260段有F2構造破碎帶 (281°∠76°)穿過，凝灰熔巖夾薄層微風化砂質泥巖，巖體以碎裂結構為主，地下水呈淋水狀出水。顯然超前地質預報單位對此構造破碎帶的重視不夠，沒有通過綜合預報方法，對破碎帶的準確位置、規模、性質、圍巖級別和富水情況進行判斷、定性，直接導致參建方沒有及時采取相應的施工預案、導致大規模突泥、涌水事故發生。

(3)綜合分析不到位：隧道超前地質預報工作應充分考慮地形地貌、施工環境、施工工藝、地層巖性、節理裂隙和構造發育的情況，經有經驗的技術人員給出綜合分析預報，然而，此區段的地質雷達探測成果的分析沒有考慮到地表大面積匯水、F2構造破碎帶的存在，其巖體結構、構造、節理裂隙發育情況和圍巖巖體分級建議針對性不強。

4.2 存在的主要問題

從全省而言，目前隧道超前地質預報工作還存在一些具體問題，不論是管理上，還是技術操作層面，亟待分析改進。

4.2.1 技術層面

(1)超前預報手段比較單一，未根據隧道的地質條件選擇合適的綜合預報手段。如有的隧道地質變化頻繁，但主要依賴TSP方法；有的預估有富水地層，但只用地質雷達手段。

(2)綜合性預報相對薄弱，缺少地質經驗，地形地質、洞內外甚至礦物構造等綜合分析不足；在雙洞掘進時，不能有效利用先行洞的實際開挖地質成果來進行推理分析。

(3)物探預報的具體操作流程不一，缺乏規范性，包括地質雷達法的掌子面測點布置，對掌子面要求，對檢測工作條件要求，參數設置等。

(4)預報設備沒有采用可靠手段進行校驗，不同設備間缺乏校核；物探成果的解釋又過分依賴設備，數據分析不合理，導致解釋成果離散性大。

(5)超前預報工作任務選擇缺乏針對性、科學性。未根據地質復雜程度分級，未確定重點預報地段，并相應調整預報方法和技術要求等。

(6)預報工作普遍缺乏與開挖后的比對分析。除非出現質量安全事故，一般較少與現場開挖后的地質條件進行對比，并及時總結經驗和教訓。

4.2.2 管理層面

(1)超前地質預報單位的委托方式不一。有的是項目業主直接招標委托的，有的由施工單位委托的。由施工單位委托的，出于經濟上的考慮，大多進來的隊伍素質較差，有的現場甚至沒有一個稱職的地質工程師。

(2)設備數量和現場人員不足，人員素質參差不齊。有的單位不計自身實力盲目攬活，一個隊伍要同時承擔幾個項目的預報工作 (福建往往一個地質預報合同包括10多座隧道40多個施工掌子面需要預報工作)，設備、人員在幾個項目間來回倒運，疲于奔命，無法保證服務質量。

(3)缺少實效檢查，沒有形成可量化、制度化的評價機制，使本來充滿探索性的工作變為純粹的牟利行為。

5 結 論

福建省多年來的建設實踐表明，在隧道施工期開展超前地質預報工作，是必要的、有效的。事實證明，今后隧道超前地質預報工作要注重以下幾方面工作：

(1)要在管理層面上統一組織、優化、協調隧道超前地質預報工作；技術層面上提高從業人員素質、完善相應技術標準和標準化工作。

(2)隧道超前地質預報工作必須以地質分析為基礎、以物探分析為手段，必要時輔以超前鉆探或先行洞成果的綜合分析預報方法。

(3)提高超前預報工作科學性和開展的規范化[8]。要研究與隧道地質復雜程度相關聯的預報重要性分級，提高任務針對性；要開展地質預報方法和技術要求的規范性文件編制。 (4)在地球物理方法預報中，要大大加強各種物探方法的適用性研究和規范性工作，針對福建典型區域地質特征而言，探索開展地質雷達、TSP等成果解釋比對和典型圖譜的研究，具有現實意義。

［1］王夢恕.對巖溶地區隧道施工水文地質超前預報的意見［J］.鐵道勘查，2004,(1)：7-9,18.

［2］張志龍，王蘭生，王躍飛.公路隧道施工超前地質預報技術方法研究現狀綜述［J］.公路交通科技，2005，22(9)：126-128.

［3］趙永貴，劉 浩，孫 宇，等.隧道地質超前預報研究進展［J］.地球物理學進展，2003，18(3)：460-464.

［4］蘇茂鑫，李術才，薛翊國.隧道掌子面前方低阻夾層的瞬變電磁探測研究［J］.巖石力學與工程學報,2010,增(1):2645－2651.

［5］韋德光,揭育金.福建省區域地質構造特征［J］.中國區域地質, 1997(2)：111-120.

［6］福建省交通規劃設計院.建泰高速公路泰寧隧道兩階段施工施工圖設計［R］.福州:福建省交通規劃設計研究院,2010.

［7］中國公路工程咨詢集團有限公司.福建省南安(金淘)至廈門高速公路泉州段A5合同段隧道兩階段施工圖設計［R］.中國公路工程咨詢集團有限公司，2009.

［8］福建省高速公路建設總指揮部，中科院武漢巖土力學所.福建省公路隧道超前地質預報技術研究報告［R］.2013.