巖溶隧道富水段超前地質預報及施工處理技術

熊雄

隧道富水段超前地質預報指的是在隧道施工過程中通過對隧道洞內外的地質與構造調查，并根據相關的分析結果，通過地球物理探測方法對隧道掌子面探測，并運用地質學、物理學等的相關知識，結合預報人員的工作經驗，對隧道在施工過程中可能發生的安全隱患和地質災害給予判斷和預報。在此基礎上，可根據判斷和預報結果，并制定科學預防與施工處理方案。因此，超前地質預報是隧道施工過程中一個十分重要的環節，尤其對于巖溶隧道富水段來說，探測溶洞的大小和水量情況不僅直接關系著施工人員的人身安全，更在一定程度上決定著工程項目經濟效益的實現。

一、案例概況

某巖溶隧道全長3250m，為國家Ⅱ級風險隧道，經現場勘查得出：該隧道中的大部分段落處于可巖溶地層內，地質條件、水文特點復雜，涌水突泥等的安全風險較高。但本項目在施工過程中始終遵循“物探先行、鉆探驗證、先探后掘、不探不掘”的原則組織和開展施工。與此同時，采用超前地質預報對隧道掌子面、隧底實施綜合探測，可以準確了解和掌握隧道所在區域內的地質、水文、溶洞大小等的情況，超前地質預報在本隧道巖溶富水段的施工處理技術方面奠定了堅實的基礎。

二、巖溶隧道富水段超前地質預報

本隧道為國家Ⅱ級風險隧道，按照Ⅱ級風險隧道開展超前地質預報，通過多種預報方式綜合預報。

1.TSP203地震波法

TSP203地震波法指的是在隧道掌子面后方一定距離內的鉆孔內中，先利用微震爆破發射信號，再由爆破引發的地質波于隧道巖體中以球面的形式向四周傳播，并經過隧道前方界面反射回來的一種測探方法。利用TSP203地震波法每次最多可測得250m，為了保證超前地質預報的準確度和精確度，可通過重疊式預報，每開挖150m預報一次，將每次探測情況在重疊部分進行對比分析。

根據對TSP203地震波法數據的處理和分析結果認為：本隧道掌子面（DK135+508）前方約120m處的巖溶主要為淺灰色的白云質巖，同時受區域內地質構造影響巖體比較破碎，且伴有節理破碎、熔巖裂隙以及斷層影響帶發育其中，圍巖穩定性較差，地下水較多，出水形式主要以點線狀為主，局部范圍為股狀出水。

2.地質雷達法

通過地質雷達法對本隧道開展短距離探測，地質雷達法下每一次的預報距離為30m，搭接長度不得小于5m，主要用來探測本隧道掌子面前方地質條件和水文特點等的情況。根據地質雷達圖譜與地質調查綜合分析得出：本隧道掌子面前方30處的電磁波能量比較均勻，局部反射界面比較明顯。由此可以得出：掌子面前方巖溶中的節理裂隙、局部破碎以及自穩能力較差。

另外，本隧道的D3K135+505～D3K135+508段反射波出現異常，推測該地段發育溶腔內有巖溶發育其中，出水方式以線流和股狀為主，建議在本段實施超前水平鉆方式，可以有效防止和減少突水和突泥等地質災害的發生。

3.紅外探水

某日，相關測試人員通過紅外探水對本隧道D3K135+508～D3K135+463掌子面前方進行了測試，主要測試內容包括掌子面前方的地質條件、水文特點等的情況。

圖1 DK135+508隧道掌子面前方紅外探水曲線示意圖

4.加深炮孔揭示熔巖水過程

在對本隧道線路右側掌子面（DK135+508）的底板處使用加深炮孔掘進至6.2m后發現：探孔內的涌水形式為股狀水，且水質清澈伴有少量雜物，水壓較高，無法更進一步地向前掘進，經過工作人員測量，該段的涌水量為2200m3/h，檢測水壓高達1.65MPa。

三、巖溶探測

本隧道掌子面（DK135+508）在探測出前方具有高壓富水情況后，立即進行了超前水平鉆探及隱伏巖溶探查的相關補充工作。

1.超前水平鉆探

在施工現場，施工人員根據加深炮孔涌水情況分別于本隧道的掌子面布置了5個鉆孔，孔位布置圖如圖2所示。其中，相關的施工要點為：（1）當1號鉆孔鉆進至16m時，涌水量較大，巖溶以淺灰色灰巖為主，鉆孔深度22m，用時132min，鉆速一般；（2）2號鉆孔鉆進至20m時，涌水量較大，巖溶以灰白色巖漿為主，鉆孔深度26m，用時180min；（3）3號鉆孔鉆進至20m時，涌水量較大，壓力較大，巖溶以白色巖粉為主，鉆孔深度28m，用時128m，鉆速較慢；（4）4號鉆孔鉆進至16m后，涌水量較大，水壓較高，巖溶以灰白色巖粉為主，鉆孔深度20m，用時135min，鉆速較慢；（5）5號鉆孔鉆進至36m后，涌水量較大，水壓較高，巖溶以灰白色為主，鉆孔深度34m，用時257min，轉速方式為局部突進。

圖2 鉆孔孔位平面布置圖

2.隧道周邊隱伏巖溶勘查

為保證掌子面施工人員的人身安全，需在掌子面后方（DK135+553）斷面流水處附近利用鑿巖車于每一孔位處再分別施作3個深度為10m的徑向地質探孔，鉆孔過程未見異常，且無隱伏巖溶，徑向探孔內的涌水量基本沒有明顯變化，僅有少量的出水為巖溶裂隙水。

3.巖溶探測結果討論

通過對以上鉆進情況分析：本隧道掌子面前方35m處，鉆進過程中基本沒有出現卡鉆現象，鉆機速度均勻，僅僅局部有突進現象，鉆孔深度基本在20～30m后，孔內有大量涌水，水量由小逐漸變大，水質清澈，伴有少量雜質，其中巖溶裂隙水為黃色泥漿水，持續時間較短，為10min左右。

四、處理技術及施工效果

根據以上探測分析得出：本隧道掌子面前方即周邊沒有大型巖溶。因此，對于本隧道掌子面（DK135+505～DK135+508）段可以采用超前支護、初期支護以及單側壁導坑開挖等施工處理技術。

本隧道從方案確定至完成開挖再到巖溶處理用時共計用時6 8 d，目前已經安全通過DKl35+505～DKl35+508巖溶隧道富水段，本工程項目所在區域內的地質條件、水文特點基本與施工處理方案一致。其中，超前地質預報特別是超前水平鉆探在該段巖溶探測施工方案的制定方面發揮了重要的作用，從根本上保證了本隧道開挖的順利推進和施工人員的人身安全。

五、結語

綜上所述，在對本隧道的超前地質預報工作中，通過全體工作人員的不斷探索、實踐和總結，現已形成了以超前水平鉆探為主，隧道周邊隱伏巖溶勘查為輔的“多手段和多層次”的綜合式超前預報技術和施工處理方案。以此為基礎對巖溶隧道富水段開展超前地質預報，成功地穿越了本隧道進口工區巖溶富水帶。另外，通過對本隧道富水段的施工實踐表明：對于巖溶隧道富水段復雜的地質條件和水文特點，采用超前地質預報手段可清楚地了解和掌握隧道掌子面前方巖溶的變化情況，可有效避免由于不清楚地質條件而造成的地質災害發生，保證施工人員人身安全和本項目的順利開展。