巖溶地區城市淺埋輸水隧洞超前地質預報特點分析

韋 斯，楊 剛

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 520005)

0 引 言

隨著我國城鎮化的進一步發展，城市供水需求也越來越多大，一大批城市供水工程開始建設。在城市供水工程建設中，有大量的地下輸水工程要修建，而地下輸水隧洞的開挖也面臨著各種各樣的復雜地質問題，特別是在巖溶地區，輸水隧洞的開挖遇到涌水突泥、塌方冒頂等地質災害問題也更加頻繁，因此在巖溶地區，做好城市淺埋輸水隧洞的超前地質預報工作顯得尤為重要[1]。目前，國內隧洞超前地質預報技術已經有了長足發展,常用的預報方法有：地質調查法、地震波法、探地雷達法、瞬變電磁法、聚焦電流法、紅外探測法、超前鉆探法等。隧洞超前地質預報技術已經廣泛的應用到各類隧道開挖施工中，特別是在一些復雜深埋長隧洞中的應用，也取得較好效果，對于城市淺埋輸水隧洞的超前地質預報而言，雖然相較復雜深埋長隧洞會相對簡單些，但是在巖溶地區，城市淺埋輸水隧洞的超前地質預報工作也有自身的特點，文章將通過工程實例，介紹巖溶地區城市淺埋輸水隧洞超前地質預報工作的特點。

1 工程實例

1.1 工程概況

貴陽某輸水隧洞工程總長8.256km，隧洞最大埋深85m，最小埋深15m，均處于地下水位以下。隧洞開挖斷面為4.2m×4.1m(寬×高)城門洞形，頂拱高2.1m，為180°圓弧，直墻高2m。

1.2 水文、地質概況

工程區地處云貴高原由中低山向丘陵過渡之斜坡地帶，屬貴州高原中部淺切剝蝕型巖溶低中山丘陵區，境內地貌破碎。東南邊沿為高坡背斜，背斜軸部為海拔1400～1655m；西南邊沿與平壩、長順接壤，海拔1300～1500m；東西兩翼地處背斜地帶，海拔1200m以上；中槽、花溪、青巖一部分地處中部斷層之間的巖溶和侵蝕盆地，海拔1100m左右。

工程區三迭系灰巖廣泛分布，地表落水洞、洼地、石林、峰叢等發育，小河流、溪流、山塘、泉眼眾多。

工程區第四系殘坡積層為黏土夾碎石，厚0～15m，主要分布在沖溝及巖溶洼地底部，以及緩坡地帶。隧洞穿越地層巖性主要為三疊系下統大冶組第一段(T1d1)灰巖，偶夾紫灰色薄層夾板片狀灰巖、時夾薄至中厚層灰巖、具平行層理；大冶組第二段(T1d2)為淺灰、灰色厚層灰巖，時夾薄至中厚層灰巖；安順組(T1a)灰色薄至中層白云巖、時夾泥質白云巖、溶塌角礫狀白云巖；花溪組(T2h)淺灰色中厚白云巖、泥質白云巖與泥巖互層夾溶塌角礫巖[2]。

工程區地表水系發育，區內分布的水庫有花溪水庫及阿哈湖水庫，在低洼或沖溝位置分布有眾多山塘。區內小河、溪流眾多，總體上至西向東流向花溪水庫或啊哈湖水庫，阿哈湖及花溪水庫為區內相對最低排泄基準面，其正常蓄水位高程分別為1110.0m及1145m。

區內地下水埋藏淺，普遍埋深為0～30m。地下水主要接受降雨補給，降雨通過洼地、溝谷等匯集，然后通過落水洞、豎井、溶隙等快速下滲，補給地下水。或通過覆蓋層孔隙、基巖裂隙緩慢下滲，補給地下水。地下水接受補給后，或通過巖溶管道向較遠的海拔較低處徑流，排泄于河谷；或通過溶隙、裂隙及孔隙等向附近低洼處徑流，排泄于溝谷或洼地。除此之外，地下水還接受水庫、山塘及河流小溪等地表水補給。地下水通過井(泉)、巖溶管道等排泄于河流、沖溝，最后匯集于花溪水庫或阿哈湖水庫[3]。

1.3 預報方案設計

本輸水隧洞采用旋挖機進行開挖掘進，根據其工程地質條件特點，超前地質預報采用的預報方法及內容見表1。

表1 預報方法與預報內容對應表

預報工作按如下流程進行。

1)地質調查分析法：跟隨隧洞掘進同步進行，貫穿隧洞施工全過程。

2)TETSP長距離預報：每次預報距離100m(根據地質情況略有差異)，相鄰兩次預報重疊≥10m，貫穿整個隧洞。

3)短距離探地雷達預報：每次預報距離約20m(根據地質情況略有差異)，相鄰兩次預報重疊≥5m，貫穿整個隧洞。

4)紅外探水預報：紅外線探測作為分析地下水類型及賦存態狀的一種輔助手段，用于定性判斷開挖斷面前方及洞壁外側一定范圍內有無水體存在及其方位，預報距離5～30m。根據隧洞地形地貌及工程地質條件紅外探水預報采用連續觀測的方式隨施工循環進行，每個循環在掌子面、洞頂、左右拱腰、左右側壁均布置測點進行探測，相鄰兩次預報重疊3～5m。

5)短距離預報發現的物探異常，根據具體情況采用超前地質鉆探(或加深炮孔)驗證。

6)單次預報工作完成后，及時提交預報成果，長距離預報成果報送≤48h，短距離預報無重大異常情況下≤24h。屬于警報應在12h內提交預報成果，屬于緊急警報應在6h內提交預報成果，并電話通知業主建管部、施工方及相關部門。

7)根據預報成果確定施工方案后進行隧洞施工。

8)對比開挖實際情況與預報情況差異，分析原因，提高下一循環預報精度。

1.4 預報實施情況

根據之前的預報方案設計，隧洞每開挖20m左右做一次地質雷達和紅外探水預報，每100m左右做一次TETSP預報，對有重大異常段采用超前地質鉆探進行驗證。后來，根據開挖揭露的地質情況，調整了預報方法和方案，采用瞬變電磁法代替地震TETSP預報方法，超前地質鉆探也改為除預報異常段的驗證外，開挖過程中掌子面出現異常也進行超前鉆探，接近取水口全洞段進行超前地質鉆探。結合地表地質調查情況，還實施了地面瞬變電磁探測，并對重要洞段在采用鉆孔電磁波CT等方法[4]。

1.5 預報成果分析

綜合整個輸水隧洞開挖的地質情況，此次隧洞超前地質預報成果總體吻合，但是也出現了一下誤報或漏報的情況，分析其原因，除了預報方法上的缺陷，還有該隧洞自身的特點所造成的。

1.5.1 預報方法上的缺陷

1)地質調查分析法適用長短距離預報，除開挖工作面地質編錄外，幾乎不占用隧洞施工時間，對掌子面地質情況的預判可指導超前鉆探的布置，可對易發生涌水、突泥的洞段進行預判，但無法不良地質體進行定量判別。

2)地震TSP中長距離預報，接收孔鉆孔會干擾部分施工，信號激發和接收過程需暫停相應工作面施工約兩個小時，由于隧洞埋深較淺，且位于市區，地面人類活動的震動干擾信號會傳導到隧洞內，同時地表及地表建筑物的反射信號也會進入接收信號中，導致異常信號難以判別。

3)地質雷達短距離預報，現場測試時需要旋挖機退離掌子面50m以上，圍巖較差洞段受到提前支護的鋼拱架、鋼支撐影響較大，因隧洞埋深較淺，有時會受到地表高壓線及民用電磁干擾器的影響，同時地質雷達只能得到掌子面前方隧洞洞身的反射信號，無法取得掌子面前方隧洞洞身以外的反射信號。

4)瞬變電磁法適用于中距離預報，對含水地層較為敏感，是巖溶地區比較有效的預報方法，它可獲得掌子面前方隧洞洞身及洞身以外的地質情況信息，但和地質雷達一樣，同時會受到各種各樣的電磁干擾，且會存在一定盲區。

5)紅外探水預報主要用于短距離的涌水、突泥預報，但效果不是很理想，主要是干擾因素較多，難以獲得理想的測試環境，比如探測時旋挖機才退出掌子面，掌子面巖體溫度仍然很高，由于隧洞埋深較淺，地下水局部會與地表水連通，受地面溫度影響較大。

6)超前地質鉆探法是最直觀的預報方法，是預防涌水、突泥的最主要手段，通過鉆孔可直觀的獲得掌子面前方的地質信息，并通過出水量、出水壓力的大小，判斷前方地層含水量的情況，同時起到釋放水壓力的作用；缺點就是占有開挖工作面的時間較長，預報的距離較短，只是一孔之見，不能完全反映掌子面前方隧洞洞身及洞身以外的地質情況。

1.5.2 輸水隧洞自身特點

1)本隧洞施工穿越巖溶、地下暗河、臨近水庫等不良地質段及特殊巖土，地質條件復雜，施工風險高，且工程位于市區內，各支洞洞口鄰近既有建筑、居民區，周邊有橋梁地基，穿越市政道路、鐵路既有線等，施工斷面較小，工程難度大。

2)本次隧洞開挖出現幾次較大規模涌水、突泥，其主要因素有：①掌子面前方洞身有較大泥水充填的溶洞；②掌子面前方洞身頂部有較大泥水充填的溶洞；③掌子面前方洞身兩側有巖溶通道或地下暗河通過；④掌子面前方洞身裂隙與地表水連通。第1種因素通過地質雷達探測很容易發現，第2種因素通過瞬變電磁法也能夠探測到，第3和第4種因素就很難進行預報，因為異常的規模較小，且裂隙的連通性也未可知，只有在開挖遇見后才能揭露，由于有水源的補給，特別是雨季，其涌水量甚至更加嚴重。而靠近取水口的洞段，由于隧洞低于庫水位，在一定水壓的作用下，庫水會貫穿裂隙倒灌到隧洞內[5]。

3)本次隧洞開挖出現塌方冒頂情況，主要是由于部分洞段巖體泥質含量較重，巖質較軟，且埋深較淺，當掘進時遇到溶蝕破碎帶時，來不及進行支護，就發生了塌方冒頂的情況。

2 結 語

在巖溶地區，城市淺埋輸水隧洞的超前地質預報工作也是個相對復雜和細致的工作，因各個方法都存在各自的局限性，需結合各個方法的特點采用洞內、洞外多種方法搭配使用，同時隧道開挖時應隨時注意掌子面地質情況變化，做好掌子面涌水、突泥的前兆觀察，短進尺、勤支護，才能有效預防涌水突泥、塌方冒頂等地質災害的發生。