綜合超前地質預報在巖溶隧道中的應用

馮 義

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

0 引 言

隧道工程設計之前的地質勘查工作，不僅受到地形條件、勘探方法、技術以及勘探成本的限制，而且由于地質體本身變化復雜，地勘工作不能準確地將地質情況真實反映出來，往往導致隧道施工過程中出現地質災害，無法滿足安全快速施工的要求，也無法兌現施工工期[1-5]。目前，較為常見的地質預報方法有：傳統的地質分析法，如地質調查法、超前導坑(洞)法和超前水平鉆孔法；現有的隧道負視速度法、隧道地震預報法(TSP)、隧道反射成像法(TRT)、極小偏移距地震波法等；基于電磁法原理的預報方法，如地質雷達法、隧道瞬變電磁法等；以及其他方法，如核磁共振法、紅外探水法、溫度探測法等。雖然超前地質預報技術發展迅速，但也存在一些問題，例如單一的探測手段適應性有限，并且存在探測結果的多解性，這就造成了隧道超前預報工作的準確性不高，施工事故頻發。因此，隧道地質預報相關工作還需深入研究，以解決存在的各種問題[6-10]。

1 工程概況

貴廣(貴陽—廣州)高速鐵路是中國在巖溶山區修建的高標準、高橋隧比(高達81.95%)的客運專線，全線長856.899 km，設計速度為250 km·h-1。貴陽至廣西五通段地形起伏大，僅隧道占線路長度的比例就高達78%，施工難度大；該地區是中國巖溶發育最典型的地區之一，全線 23座隧道中碳酸鹽巖隧道占有16座，共計40 800 m，隧道洞身穿越可溶巖段落達60%，共計24 480 m。其中16座揭露干溶洞、溶槽，占隧道總數的70%，共計45處，發育規模大小不一，并存在瓦斯等有害氣體，一旦發生突涌水(泥)、瓦斯突出，后果難以想象。

2 鉆孔地質雷達超前地質預報技術

2.1 基本原理與探測方法

對隧道掌子面前方進行探測時，在掌子面上不同位置打3個或3個以上鉆孔，孔深不小于15 m，并把探頭放入鉆孔中進行測試，根據各個孔所測得的異常分布和各個孔的位置，用空間幾何交匯的方法判定掌子面前方不良地質體的位置與規模。發射天線和接受天線同在1個鉆孔中，并以固定間距沿鉆孔從內向外移動，以固定間距觸發，一般采用的間隔為0.5～1 m。鉆孔地質雷達介質中的反射波形成雷達剖面，通過異常體反射波的走時、振幅和相位特征識別目標體，判明其位置、巖性及幾何形態。圖1為孔內雷達探測工作原理。從幾何形態來看，地下異常體可概括為點狀體和面狀體兩類，前者如洞穴等，后者如裂隙、層面等，它們在雷達圖像上有各自的特征，其中點狀體反射呈現雙曲線，面狀體反射呈現“V”字型。異常體的位置可通過反射波的走時確定，巖性則可通過反射波振幅判斷[11-15]。

圖1 鉆孔雷達探測工作原理

2.2 觀測系統

所謂觀測系統就是布設超前鉆孔。超前孔一般以梅花型布置，這樣可以確保在探測范圍內儀器的分辨率相同、管道定位準確。超前鉆孔的直徑一般大于65 mm，根據探測目標體深度設定鉆孔深度。如果是簡單的探測掌子面前方地質情況且不需要定位時，一般打1個或2個鉆孔；如果需要準確定位不良地質體的具體情況，則需要在掌子面打3個以上的鉆孔(圖2)，并且保持鉆孔之間盡量平行，鉆孔之間的距離盡可能拉大，這樣才能有效計算探測目標的產狀及地質體特征。

圖2 鉆孔雷達孔位布置

預報工作分2步完成，即初步探測、精確探測。

(1)初步探測。中心孔CZ1一次鉆進深度30 m，造孔完成后立即進行鉆孔雷達探測，這樣可初步探明洞身60 m深度范圍內有無含水巖溶管道和裂隙。

(2)精確探測。分兩次打周邊超前孔CZ2～CZ5，一次鉆進30 m，并分別在CZ2～CZ5孔中作雷達測試、孔斜測試，必要時作水流監測測試。

2.3 數據處理與成果解釋

數據處理、分析、解釋分3個階段：中心孔CZ1雷達資料收集、周邊超前孔CZ2～CZ5雷達資料(含中心孔)收集、地質分析與處理建議(探測到巖深管道或裂隙時)。

(1)中心孔CZ1雷達資料收集。初步對探測范圍內的地質情況進行定性，當探測范圍內無任何涌水異常管道或裂隙時，可以讓施工快速通過。

(2)周邊超前孔CZ2～CZ5(含中心孔)雷達資料收集。井中高分辨率雷達天線可以分辨出幾厘米的巖溶管道，將5個水平孔的雷達數據進行成像處理，得到以隧道軸線為中心，半徑為7 m、長為30 m的立體雷達圖像，依據管道水的低阻、強反射特點，用空間幾何交匯的方法精確確定涌水異常規模、位置。當管道水流動時，可以采用地下噪聲監測技術估算管道水的流速，排除非涌水異常。

2.4 工程應用

將鉆孔地質雷達技術用于探明胡家寨隧道出口掌子面DK93+040前方不良地質情況。

2.4.1 鉆孔布置

采用YGL-100鉆機在掌子面進行超前水平地質鉆探。設計4個鉆孔，分別為1#、2#、3#和4#，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 現場鉆孔布置

超前地質預報組對2#、3#、4#三個鉆孔分別進行了孔內雷達探測，而1#鉆孔因水壓太大未能探測。2#、3#、4#三個鉆孔呈三角形布置，其探測參數如表1所示。

表1 超前鉆孔參數

2.4.2 數據采集與處理

采用的地質雷達為美國SIR-20雷達，并利用400兆孔內天線進行數據采集，采集軟件為SIR-20。采用分析軟件RADAN 6.6對孔內地質雷達數據的采集記錄進行處理與判讀，以獲得孔內雷達探測的分析結果。雷達剖面判讀及分析是以雷達波形、電磁波反射強度、振幅和雙程走時等參數推斷掌子面前方地質的不良情況。實測鉆孔2#、3#、4#的雷達成果剖面分別如圖4～6所示。

圖4 2#鉆孔探測結果

圖5 3#鉆孔探測結果

圖6 4#鉆孔探測結果

本次鉆孔地質雷達探測的綜合解釋圖如圖7所示。由圖7可以看出：掌子面前方DK93+040～DK93+033之間圍巖整體較完整，為白云巖，局部溶蝕裂隙較發育，由于后方巖溶管道補給水的作用，局部溶蝕較破碎，圍巖較富巖溶水；掌子面前方DK93+033～DK93+025之間推測為溶蝕破碎帶，受此影響該段圍巖溶蝕較破碎，由于后方巖溶管道補給水的作用，圍巖較富巖溶水；掌子面前方DK93+025～DK92+008之間推測發育有巖溶管道，巖溶通道的直徑大致在0.2～0.3 m，地下水發育，該段圍巖開挖過程中發生突水的可能性極大。

圖7 綜合地質解釋

3 高精度孔內成像技術

3.1 孔內成像的原理與適用性

孔內成像技術的原理主要是依靠放在探孔中能自動調節光圈的廣角攝像頭，通過360°全方位彩色攝像對所測探孔壁面進行拍攝，在系統控制器上合成所得到的視頻信號和計數脈沖，輸出后的信號可在電視屏幕上將圍巖破碎程度、松動層及裂隙產狀直觀地顯示出來。當攝像機向下拍攝時，可獲得全景孔壁圖像環。針對不同直徑的鉆孔，在采集系統中需要調整攝像機的焦距，直到可以拍攝到清晰的孔壁圖像為止。孔內成像儀對鉆孔進行成像采集，可獲得高分辨率的孔壁圖像。

孔內成像技術對于鉆孔有很好的適應性，不僅可以用于水平孔、垂直孔和傾斜孔(俯角、仰角)，還可適用于地質鉆孔、混凝土鉆孔和錨索(桿)孔等多種鉆孔類型。由于該技術能夠實現數字化鉆孔，巖芯可以長期保存，彌補了在破碎地層無法獲得實際巖芯的不足[16-20]。

3.2 探測方法與數據解釋

為了使探測過程中鉆孔內的探管處于居中位置，當正常安裝并調試好鉆孔電視成像儀后，需要根據鉆孔參數對探頭扶正器的大小進行適當調整。根據設計精度要求調整成像探頭下行速度、聲波探頭內步進電機的轉速和圖像聚焦環窗口寬度等參數。設定的所有參數達到成像電視探測工作要求后，便可以正式開始成像數據采集工作。

3.3 工程應用

油竹山隧道平導(出口)DK89+965～DK89+941段鉆孔錄像測試成果如圖8所示。通過分析可知：導洞掌子面前方DK89+965～DK89+941段探測深度內總體無較大不良地質缺陷，其中DK89+959～DK89+949段距鉆孔中軸線1.5～3 m巖層面有溶蝕現象，局部溶蝕成寬縫。

圖8 DK89+965～DK89+941鉆孔成像成果

4 其他幾種超前預報技術在巖溶隧道中的應用

4.1 地表踏勘

油竹山隧道進口平導洞P1K82+906處穿越高坡山，地形復雜，山高谷深，植被覆蓋較好，河流分布廣泛，如圖9所示。出水掌子面位置隧道埋深約400 m，其對應的地表附近山丘集中，3條季節性沖刷河溝交匯且斜跨洞身，并在局部河段有突然斷流現象(未在隧道正上方)，但未發現明顯落水洞，測得斷流溝兩側2組代表性巖層產狀為30°∠10°、355°∠3°，推斷掌子面附近可能有斷層與隧道軸線相交。

圖9 平導洞頂地貌

4.2 TSP預報技術

油竹山隧道進口平導P1K82+894～P1K83+014段進行了TSP超前預報。結果表明：探測范圍巖性為灰白色白云巖，巖質硬，巖體較完整，局部破碎，地下水不發育。P1K82+894～P1K82+938段圍巖與掌子面基本一致，屬硬巖，節理裂隙不發育，地下水較發育，局部可能存在線狀出水；P1K82+938～P1K82+976段圍巖較完整，局部較破碎，地下水不發育；P1K82+976～P1K83+014段圍巖較完整，屬硬巖，地下水不發育，P1K83+000附近可能存在線狀出水。揭露巖溶水之后，為了進一步探明前方的地質情況，進行了第2次TSP探測，如圖10所示。由圖10可知：掌子面前方P1K82+906～P1K83+006范圍內，圍巖總體表現為溶蝕裂隙較發育,由于地下水位線位于隧道頂部，與巖溶管道連通，P1K82+936～P1K82+951及P1K82+971～P1K82+989段出現較發育的巖溶富水區，存在巖溶水突出的施工風險。

圖10 TSP 2D成果

4.3 超前鉆孔預報技術

為探明油竹山隧道平導工程P1K82+906處前方地質情況，采用TEC-14鉆機超前地質鉆探作業。本次鉆探共施作鉆孔3個，孔位布置及參數如圖11和表2所示。

圖11 超前鉆孔布置

通過鉆孔情況，對該段的地質情況得出以下結論。

(1)P1K82+906～P1K82+936段巖性為白云巖，其中P1K82+906～P1K82+925段巖體較破碎～破碎，巖溶作用發育，地下水發育，P1K82+910、P1K82+917、P1K82+921、P1K82+924四處水量分別約為20、20、25、20 m3·h-1。P1K82+925～P1K82+936段巖性為白云巖，巖體較完整，地下水不發育。

表2 超前探孔參數

(2)P1K82+910～P1K82+911段發育溶蝕管道，富水，直徑約1 m。P1K82+916～P1K82+917段隧道左側發育溶蝕管道，富水，直徑約1 m。P1K82+920～P1K82+923段隧道左側發育溶洞，洞徑大于3 m，洞內富水，有泥沙充填，開挖該范圍易出現突水涌砂，應予以特別重視。

基于對油竹山隧道的綜合地質預報，推斷掌子面前方P1K82+906～P1K83+006范圍內，圍巖總體表現為溶蝕裂隙發育，如圖12所示。P1K82+910～P1K82+911段發育溶蝕管道，富水，直徑約1 m。P1K82+916～P1K82+917段隧道左側發育溶蝕管道，富水，直徑約1 m。P1K82+920～P1K82+923段隧道左側發育溶洞，洞徑大于3 m，洞內富水，有泥沙充填，開挖該范圍易出現突水涌砂，應予以特別重視。P1K82+936～P1K82+951及P1K82+971～P1K82+989段出現較發育的巖溶富水區，存在巖溶水突出的施工風險。

圖12 P1K82+906～P1K82+936溶洞預測

4.4 地質雷達預報技術

采用地質雷達對翁檔隧道D3K97+863特大型溶洞進行預報，探測的結果如圖13、14所示，掌子面前方圍巖巖溶強烈發育，巖溶水富集，施工中有遇大型巖溶管道水突泥的風險。從圖13、14可知：D3K97+868～D3K97+875溶蝕裂隙、溶穴發育，富集巖溶水；從D3K97+875處起向掌子面右側延伸至D3K97+893，巖溶水與前一段連通。上述異常段巖體穩定性較差，巖溶水富集。

圖13 雷達探測剖面

圖14 解釋成果

5 結 語

(1)孔內雷達對富水區隧道施工中富水構造、含水情況、軟弱破碎帶及節理和斷層等不連續體的超前探測準確性較高，同時也有效減少了在隧道掌子面打設超前探孔的數量。超前鉆孔難以有效預報隧道掌子面前方的小斷層和貫穿性大節理，對于與隧道軸線平行的結構面的預報更是困難，而孔內雷達正好彌補了這一缺陷。

(2)將孔內成像技術運用到隧道施工超前地質預報中，能夠對鉆孔中地質體的不同特征和構造進行直觀觀測，可以直接掌握地層的巖性、巖石結構、裂隙、斷層、夾層、巖溶等，并編錄地質柱狀圖，彌補超前鉆孔在鉆孔取芯困難部位的難以獲取地質信息的不足，尤其適用于巖溶地區地質預報。

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