隧道“靶向鉆孔”綜合超前地質預報探水技術研究

王書彬

(中鐵十九局集團有限公司 北京 100076)

1 引言

成蘭鐵路起于成都，對接蘭渝鐵路，其將是我國一條在海拔3 000 m以上高原修建的“天路”。躍龍門隧道是全線的控制性工程，全長19.981 km，采用雙線分修形式。其穿越我國著名的龍門山山脈，區內不良地質類型多、規模大、地質構造復雜，特殊巖土分布廣泛，工程處理量大，屬于地質條件十分復雜的艱險山區極高風險隧道工程。隧址區往往具有巖溶高水壓、富水、溶洞及斷層發育的地質特征，施工過程中經常會出現無法預料的不良地質災害，如突水、突泥、坍塌等，一旦發生事故將造成巨大經濟損失和人員傷亡，施工階段風險管理遠高于其它類型隧道。因此在隧道掘進前獲取掌子面前方的地質信息，是保障隧道安全施工的重要措施。

超前水平鉆孔是最直觀的識別掌子面前方地質條件的超前預報方法。通過對鉆速、驅動壓力和出水分析，可以直接獲得掌子面前方巖性、構造、地下水、軟弱層等地質特征。然而，超前水平鉆孔存在成本高、耗時長、“一孔之見”容易產生漏報的缺點[1]。傳統的超前水平鉆孔在掌子面的布設往往采用固定的三角式分布，無法根據實際情況靈活調整鉆孔位置和數目，具有一定盲目性。

2 工程技術背景

成蘭鐵路躍龍門隧道穿越龍門山山脈，不良地質發育，隧道通過多個可溶巖段，斷裂裂隙、節理裂隙發育密度較大，地下水循環條件較好，沿裂隙及層面多發育巖溶化裂隙、微型洞穴和溶蝕孔洞，局部存在管道。巖溶發育構成了隧道施工中的突涌水威脅。此外不同巖性層接觸帶、斷層破碎帶及褶皺核部地帶易富水，也是隧道突涌水的危險地帶[2]。

以躍龍門隧道3號斜井灰巖富水段為研究主體，基于由TSP法、瞬變電磁法、激發極化法組成的超前綜合地質預報體系，得到掌子面前方的綜合地質信息。根據綜合預報結論優化靶向鉆孔的位置與數量，既節省了超前鉆孔的數量，又有效避免了超前鉆孔存在的“一孔之見”的缺點。總體上形成“長距離預報與短距離預報結合，二維宏觀探測與三維精準探測結合，超前地質預報與靶向鉆孔驗證相結合”的新型超前地質預報方法[3]。通過施作靶向超前鉆孔，既可以驗證綜合超前預報結論，還可對掌子面前方的含水構造進行泄水降壓(見圖1)。

圖1 躍龍門隧道3號斜井掌子面超前水平鉆孔

3 “靶向鉆孔”綜合超前地質預報技術原理

傳統的針對隧道突水突泥不良地質區段，結合多種探測手段形成“長距離預報與短距離預報結合，二維宏觀探測與三維精準探測結合，超前地質預報與靶向鉆孔驗證相結合”的新型超前綜合地質預報方法，通過對現有超前地質預報方法的組合優化應用，規避了單種方法的局限性。施工現場超前地質預報應用效果顯著。

3.1 “長距離預報與短距離預報結合”超前地質預報技術

針對每一種探測方法探測距離的特點，結合多種超前地質預報方法對比分析，TSP法有效探測距離為0～130 m；瞬變電磁法探測距離為20～100 m；超前水平鉆探探測距離為0～150 m；激發極化法探測距離為0～30 m。長距離超前預報探測距離較長，但準確性稍差，短距離超前預報探測距離較短，但準確性較高。兩者的結合可以取長補短，有效提高超前地質預報的準確性[4]。綜合各種探測方法，確定探測距離為30 m時綜合預報效果最佳。

3.2 “二維宏觀探測與三維精準探測結合”超前地質預報技術

隧道在復雜施工條件與地質條件下，通過對現有超前地質預報方法的組合優化應用，規避了單種方法的局限性，還可對隧道施工可能產生威脅的不良地質體進行精準的空間定位，以便更好地采取應對措施。

(1)宏觀定性預報——TSP法。屬于地震波探測法，對可能給隧道施工帶來安全隱患的斷層、破碎帶、采空區、巖溶富水區等不良地質構造具有較好的定性預報效果，但很難實現不良地質體的精準定位(見圖2)[5]。

圖2 TSP超前預報原理

(2)二維定位預報——瞬變電磁法。是一種時間域電磁法，對低阻體有著異常的敏感性。因此在探水方面有其獨特的優越性，可實現掌子面前方含導水構造及富水區域的二維精準定位(見圖3)[6]。

(3)三維定位定量預報——激發極化法。是電法勘探的一個重要分支。該方法通過采用多同性源陣列式觀測方式，可以實現隧道掌子面及其周邊區域(20 m×20 m)、掌子面前方區域(30 m)的含導水構造及富水區的三維精準定位(見圖4)。通過二電流半衰時之差可以對探測范圍內的靜水量進行估算[7]。

圖3 瞬變電磁法原理

圖4 激發極化法原理

3.3 “超前地質預報與靶向鉆孔驗證相結合”技術

采用超前水平鉆可對掘進前方進行0～150 m鉆探，它可以比較直觀地探明鉆孔所經過部位的地層巖性、巖體完整程度、巖溶及地下水發育情況等。尤其在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發育區、煤層瓦斯發育區、重大物探異常區等復雜地質條件時必須采用[8]。

但是隨著鉆孔距離越長其鉆探角度偏差也越大，成本高、耗時長，“一孔之見”容易產生漏報。結合超前地質預報綜合判識結果，采用超前水平鉆針對溶槽、溶洞、富水點等部位進行“打靶”式鉆孔驗證，鉆孔長度依據含水體賦存狀態確定，一般不超過30 m。通過優化靶向鉆孔的位置與數量，節省了施工工期和鉆孔數量。同時通過“靶向定位”鉆孔還可對富水區域進行降壓泄水，利用系統化的反坡排水設施加強抽排水工作管理，進而降低前方未施工區段的水壓，為后期隧道掘進支護施工降低施工風險。

4 “靶向鉆孔”綜合超前地質預報實施技術要求及預報評價

4.1 靶向超前鉆孔法施工準備

經上述綜合超前地質預報結果進行比對分析，需確定掌子面前方需驗證的地質構造[9]:

(1)斷層、破碎帶；(2)不同巖性交界面；(3)溶洞(干溶洞、充水或充泥溶洞)；(4)含導水構造三維展布形態；(5)富水區具體位置。

4.2 “靶向鉆孔”設置原則

(1)靶向鉆孔的設置應首先覆蓋激發極化法及瞬變電磁法探測到的含水構造與富水區，并以能探測到TSP法預報可能存在的不良地質構造為宜。

(2)一般地段采用沖擊鉆。沖擊鉆不能取芯，但可通過沖擊器的響聲、鉆速及其變化、巖粉、卡鉆情況、鉆桿振動情況、沖洗液的顏色及流量變化粗略探明巖性、巖石強度、巖體完整程度、溶洞、暗河及地下水發育情況等。

(3)復雜地質地段采用回轉取芯鉆。一般只在特殊地層、特殊目的地段、需要精確判定的情況下使用。如煤層取芯及試驗、溶洞及斷層破碎帶物質成分的鑒定。

4.3 靶向鉆孔施作技術要求

(1)孔數。斷層、節理密集帶或其他破碎賦水地層每循環可只鉆一孔；賦水巖溶發育區每循環宜鉆3～5孔，揭示巖溶時，應適當增加，以滿足安全施工和溶洞處理所需資料為原則。具體孔數及布置方法應根據現場實際情況及物探結論確定。

(2)孔深。不同地段不同目的的鉆孔應采用不同的鉆孔深度。鉆探過程中應進行動態控制和管理，根據鉆孔情況可適時調整鉆孔深度，以達到預報目的為原則。

(3)孔徑。鉆孔直徑應滿足鉆探取芯、取樣和孔內測試的要求，并符合現行《鐵路工程地質鉆探規程》(TB 10014-2012)的規定。

富水巖溶發育區超前鉆探應終孔于隧道開挖輪廓線以外5～8 m。

4.4 “靶向鉆孔”預報實施及評價分析

躍龍門隧道3號斜井段巖溶中等～強烈發育，圍巖以寒武系清平組灰巖為主，巖質堅硬，圍巖較破碎，節理裂隙發育。躍龍門隧道3號斜井掘進至XJ3K0＋396發生涌水，后續洞內被淹70 m，涌水量約為1 000 m3/h。

施工現場進行晝夜抽排水，水位下降后立即組織現場超前地質預報工作，采用TSP、瞬變電磁、激發極化多種預報手段(見圖5～圖8)。根據綜合預報判識得出的三維成像圖、低阻提取圖以及半衰時之差等數據，得出預報結論如下:

(1)XJ3K0＋393～XJ3K0＋380段落:三維反演圖像中掌子面前方出現低電阻率區域，分布在整個掌子面下部區域，電阻率在50 Ω·m左右。二電流半衰時之差出現正值，推斷可能為導水通道或破碎富水區。

圖5 TSP法觀測成果圖

圖6 瞬變電磁法測線布置圖及探測結果

圖7 激發極化法半衰時之差

圖8 激發極化法三維成像結果與低阻異常區提取及布孔圖

(2)XJ3K0＋379～XJ3K0＋372段落:三維反演圖像中掌子面出現低電阻率區域，主要分布在掌子面左側與中部區域，電阻率在80 Ω·m左右。二電流半衰時之差為正值，可推斷為導水通道或破碎富水區。

(3)XJ3K0＋371～XJ3K0＋363段落:三維反演圖像中掌子面出現低電阻率區域，分布在掌子面整個區域，電阻率在70 Ω·m左右。二電流半衰時之差為正值，可推斷為導水通道或破碎富水區。

根據半衰時之差數據，得出掌子面前方30 m區域內凈水量約為700 m3。

(4)根據之前得到的綜合預報結論，在掌子面上選擇超前靶向鉆孔的位置進行驗證。

(5)實施效果及評價:跟據超前靶向鉆孔的現場記錄表，4個靶向鉆孔均較好地揭示了掌子面前方的含水構造，與預報結論吻合。

5 超前地質預報實施過程中注意事項

(1)TSP法炮孔和接收器孔的角度應控制在允許范圍內，以求更好的爆破效果；炮眼的位置應保持在同一水平面上，間距應按要求控制均勻，如遇到拱架或格柵鋼筋，可適當調整[10]。

(2)瞬變電磁法要60 m左右的探測深度，選擇2 m×2 m的矩形線框較為合適；探測時須將探測線框盡量平行貼近掌子面(盡量耦合)，以達到最佳觀測效果；如遇到隧道內鋼拱架(或格柵拱架)緊跟掌子面施工的情況，可將左右邊界測點遠離邊墻1～2 m探測，以及將鋼拱架(或格柵拱架)等金屬支護結構退離掌子面至少10 m以外，以減少其對探測結果的影響。

(3)激發極化法測量電極、供電電極、接地電極要通過耦合劑保證與鉆孔牢固耦合(見圖9)；打孔及布設電極時要加強量測精度，量測誤差要小于5 cm，如遇到拱架或格柵鋼筋，可適當調整；對于有明顯異常的采集數據，先檢驗采集點處的電極是否有松動、脫落的現象，之后重新采集。

圖9 激發極化測量電極及供電電極布置

(4)施作靶向鉆孔時在鉆機定位完畢后，應通過測量根據綜合預報確定的鉆孔空間位置進行精確放樣；當巖層由軟變硬時應采用慢速、輕壓鉆進一定深度后，改用硬巖層的鉆進參數。鉆進中應減少換徑次數。本循環鉆孔完畢后，根據測量結果總結出鉆具的下沉量，下一循環鉆探時通過調整孔深、仰俯角等措施控制下沉量在設計要求的范圍內，達到技術要求的精度[11]。

(5)孔口管錨固可采用環氧樹脂、錨固劑，亦可采用快凝高強度膨脹的漿液錨固，錨固長度宜為1.5～2.0 m。孔口管外端應露出工作面0.2～0.3 m，用以安裝高壓球閥。

6 “靶向鉆孔”綜合預報體系經濟性對比分析

“靶向鉆孔”目標性高，可直觀揭示并驗證預報結論中的不良地質構造，既節省了超前鉆孔的數量，又有效避免了超前鉆孔存在的“一孔之見”的缺點。該技術操作簡單、方便快捷且成本較低，基本不影響隧道正常施工。

6.1 傳統超前水平鉆探預報費用

按照設計和超前地質預報規程要求，由于無詳細、準確的超前地質預報資料，且不能針對定量區域進行目的性鉆探，掌子面施工超前水平鉆孔數量、鉆孔深度都無法預測。根據躍龍門隧道1號斜井下穿高川河段，超前水平鉆探方案每30 m需至少進行鉆孔20個孔，孔深共計440 m計算(此處按照整體預報90 m富水段進行預報)，超前水平鉆探費用總計約44萬元。

6.2 “靶向鉆孔”新型預報費用

采用TSP法平均預報距離為100 m，每次預報施工時間為4～6 h，取5 h；瞬變電磁法預報距離為80 m，預報施工時間為1 h；激發極化法預報距離為30 m，每次預報的施工時間為2.5 h；靶向鉆孔施作時間隨鉆孔數量按照5孔，孔深共計40 m計算。

(1)材料成本。設計采用TSP法預報，需要在邊墻鉆炮孔共計24個、接收器孔1個，其每延米預報成本為0.247 2＋0.696＋30＝30.94元。其中炸藥24孔成本0.247 2元、雷管0.696元；每次預報消耗一根專用接收器管30元。

瞬變電磁法預報每次探測深度為80 m，成本為5 000 元/次。

激發極化法預報需要在圍巖、掌子面及底板上鉆孔共計36個。預報需采用激發極化法專用電極及耦合劑。每延米預報成本40元，超前水平鉆探費用總計14 300元。

(2)設備購置成本。儀器設備購置費用:TSP 203為230萬元，隧道專用瞬變電磁儀為80萬元，隧道專用激發極化儀為80萬元。

(3)此處按照整體預報90 m富水段進行預報，合計費用＝30.94×90＋5 000＋14 300×3＝50 684元(約5萬元)。相較于全區段超前地質預報方法可直接節約成本39萬元。

6.3 經濟性對比分析

“靶向鉆孔”有針對性地驗證掌子面前方含水構造及富水區，可以節約鉆孔量、節省超前鉆探費用。及時改變支護參數，確保隧道穿越巖溶區時的施工安全，減少由于地質變化原因和含水構造揭露所帶來的經濟損失[12]。

綜合以上原因分析，采用“靶向鉆孔”超前地質預報技術成本節約近120萬元，風險降低創效高達830萬元。

7 結束語

隧道工程“靶向鉆孔”綜合超前地質預報施工探水技術通過對超前地質預報方法的優選，可有效預報掌子面前方不良地質構造，推斷含水構造三維空間展布形態并估算探測區域內的靜態水儲量。預報準確性高、結論直觀易懂。依據綜合預報結果，可針對性地對掌子面前方不良地質構造進行鉆探驗證，節約了鉆孔數量及施工工期。本技術在躍龍門隧道施工中的應用，確保了隧道安全、優質、高效施工，取得較好的社會效益和經濟效益。