綜合超前地質預報在玉磨鐵路復雜地質隧道的運用

陳 偉 杜宇本 蔣良文

（1.西南交通大學，成都 610034；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

玉磨鐵路全長508.54 km，新建隧道91 座，隧道總長395.24 km，占路線全長的77.7%。隧道施工中遇到的主要地質問題包括涌水、突泥（砂）、巖溶、巖鹽、有害氣體、大變形、活動斷裂、高地溫等。目前，盡管在隧道勘察階段就得到了大量細致的地質資料，但受限于自然界地質條件的復雜性，現有地質資料不能完全反映工程地質條件具體情況，更不能準確地預見施工中可能出現的地質問題［1］。因此，復雜地質長大隧道施工期間超前地質預報工作顯得尤為重要。

經過多年發展，隧道超前地質預報已由單一探測手段發展為多種探測手段的綜合探測技術體系［2］。本文基于玉磨鐵路超前地質預報中采用的技術手段，總結長大地質復雜隧道不同地質條件下運用的綜合超前地質預報技術，以期解決施工中遇到的地質問題。

1 采用的隧道超前地質預報手段

目前，超前地質預報技術中還未有能預報所有地質問題的技術手段［3］。玉磨鐵路長大地質復雜隧道施工過程中采用了地質調查法、物探法、鉆探法、超前導坑法、綜合分析等超前地質預報手段，其中以地質調查法為基礎，綜合分析為主導貫穿整個施工全過程。實施過程中遵循了宏觀指導微觀、長距離指導中短距離預報，微觀驗證宏觀、中短距離驗證長距離的思路，采用了“長短結合、前后比對、不同方法互補印證”的準則開展綜合超前地質預報工作，充分發揮了平導超前探明地質條件的作用，合理搭配用好各種技術手段。

1.1 地質調查法

采用地表補充地質調查、隧道洞身和掌子面地質素描等手段，對地層巖性、地層層序、地質界線、不良地質體、特殊巖土等地質條件進行對比、相關性分析、趨勢分析，預報開挖工作面前方的地質條件。現場所調查的成果資料是超前地質預報綜合分析工作最重要的依據。

1.2 物探法

1.2.1 地震波反射法（TSP）

地震波反射法利用人工激發的地震波來預報隧道開挖工作面前方的地質情況［4］。地震波反射可探測掌子面前方100～120 m 范圍內的構造、節理裂隙密集帶、軟弱破碎帶、巖脈等在隧道內的大致位置和規模。地震波反射法對規模較大的不良地質體特別是與隧道軸線大角度相交的具有明顯彈性差異的巖土體間接觸界面（如斷層、軟弱夾層、可溶巖與非可溶巖接觸帶、軟硬巖分界面等）探測效果較好。然而，地震波反射法也存在定位不準確、探測結果不可靠等局限性。

1.2.2 電磁波反射法（GRP）

地質雷達利用電磁波在隧道開挖工作面前方巖體中的傳播速度和反射脈沖波走時進行超前地質預報［5］。地質雷達對存在電導率與介電常數差異的巖土體預報效果較好，一般探測前方距離10～30 m，適用于探測溶洞、軟弱巖體（帶）、富水帶等不良地質的空間位置與分布，對隧道施工干擾小、探測時間短。

1.2.3 瞬變電磁法（TEM）

瞬變電磁法采用階躍波形電磁脈沖激發，測量介質產生的感應二次場隨時間的變化進行預報［6-7］。瞬變電磁法適用于任何地層中存在的地下水體、斷層破碎帶、溶洞、溶隙、暗河等探測。瞬變電磁法探測深度一般在60～100 m，但探測前方存在不同長度范圍盲區。

1.3 鉆探法

鉆探法主要采用超前水平鉆、豎向鉆及加深炮孔等。玉磨鐵路施工中超前水平鉆探主要應用于富水軟弱地層及構造帶、富水巖溶發育區、煤層瓦斯發育區、重大物探異常區等，探測距離為30～50 m。地面豎向鉆探為宏觀超前預報分析的輔助手段，可在需要時采用；加深炮孔主要作為超前水平鉆的重要補充，在巖溶區、有害氣體和富水區域效果明顯。

1.4 超前導坑法

結合輔助坑道設置特點，以超前平導揭示地質特征，通過地質理論和作圖法預報正洞地質條件。

1.5 綜合分析

根據玉磨鐵路隧道地質條件復雜程度分級結果，在長大地質條件復雜隧道施工中，由專業地質人員對復雜、較復雜段落采取以地質調查法為基礎，超前鉆探法為主，結合多種預報手段，定性與定量分析相結合，遵循工程地質類比法、優劣對比法、決策分析法等思路，開展超前地質預報綜合分析，從而提高預報精度。

2 不同地質條件下的超前地質預報

施工前根據既有地質資料確定隧道地質復雜程度預分級，根據現場開挖及探測成果動態調整復雜程度分級，確定超前地質預報實施方案，用以指導隧道開挖。超前地質預報的詳細技術路線如圖1所示。

圖1 超前地質預報技術路線圖

2.1 一般地段的預報

一般地段的超前地質預報以地質調查法為主，地震波發射法和少量的鉆探為輔，重點預報圍巖破碎程度和含水特征。

2.2 前震旦系昆陽群圍巖突水突泥段的預報

前震旦系昆陽群地層分布于玉溪至元江約100 km 范圍內，圍巖受構造影響極為嚴重，具有時代古老、破碎、結合差、含水豐富特點，隧道施工極易發生突水突泥危害。

前震旦系昆陽群圍巖超前地質預報主要以突水突泥預報為重點，采用地質調查法、地震波反射法、超前鉆孔法和瞬變電磁法等方法進行。鉆孔探測是涌水突泥預報的最直接的方法，實施鉆孔必須有防突裝置。對涌水、突泥異常區采用超前水平鉆探（3～8 孔）驗證，綜合分析確定是否存在突水突泥風險。

根據前期施工教訓總結本地區隧道掌子面前方突水突泥預判標準為：物探推測前方存在較長段落的軟弱夾層或破碎帶，超前鉆孔存在卡鉆、突進等現象，有渾濁水流出，單孔水量大于2 L／s、總出水量大于6 L／s時，涌水突泥概率極高；物探推測前方局部存在物探異常區，超前鉆孔存在卡鉆、突進等現象，伴有渾濁水流出，探孔總水量2～6 L／s 時，掌子面前方局部失穩溜坍、突水突泥概率較高。

2.3 巖溶區的預報

玉磨鐵路巖溶段落分布較長，隧道巖溶區超前地質預報重點為探明巖溶形態在隧道洞身分布位置、規模、充填、巖溶水等特征。

巖溶弱～中等發育地段超前地質預報以地質調查法為基礎，以超前水平鉆及加深炮孔為主進行探測。超前水平鉆孔1 孔貫通施做，根據單雙線情況采用加深炮孔3～5 孔探測，物探法采用地震波反射法結合地質雷達法。

巖溶強烈發育地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶、可溶巖斷層破碎帶、溶蝕破碎帶等地段超前地質預報應加強地表補充調查，加密施做超前水平鉆孔或加深炮孔，物探法則增加瞬變電磁法探測巖溶水發育特征。

掌子面前方超前地質預報與隧道周邊及隧底隱伏巖溶探測結合，提高功效［8］。

2.4 巖鹽地段的預報

玉磨鐵路地處滇南地區，多套地層含巖鹽（NaCl）和石膏（CaSO4·2H2O）。

巖鹽地段的超前地質預報重點為探明膏鹽空間分布范圍、接觸帶特征、校核巖土水腐蝕性。以地質調查法為基礎，采用掌子面前方、洞身周邊及隧底取芯鉆探為主進行探測。掌子面前方水平鉆探采取不小于30 m 的長距離鉆探，周邊及隧底采取5～25 m 取芯鉆探。鉆探同時采取巖土水樣進行侵蝕性分析，物探法探測主要以地震波發射法為主。

2.5 弱膠結砂巖段的預報

玉磨鐵路弱膠結砂巖主要分布于第三系地層內，呈松散粉細砂狀，飽水，施工難度大，安全風險高。

弱膠結粉細砂巖段超前地質預報以探測其詳細分布段落范圍含水特征為重點，為優化施工組織、確保工期提供依據。預報手段以地質調查法為基礎，開展洞內及地表取芯鉆探為主，結合地震波反射法、瞬變電磁法等物探方法。

2.6 對于有害氣體段的預報

有害氣體主要分為煤層瓦斯有害氣體及非煤層有害氣體兩大類。

煤層瓦斯有害氣體主要分布于含煤地層內，超前地質預報主要采用地震波發射法、電磁波反射法確定煤層在隧道內大致位置，采用地表補充調查、洞內地質素描作圖分析煤層里程位置；利用超前鉆探確定煤層準確位置，并采取樣品測試，預報重點是判斷煤層自燃性、粉塵爆炸性及瓦斯突出危險。

玉磨鐵路沿線地熱異常較突出，非煤層有害氣體與地熱異常區關系密切。根據非煤層有害氣體危險性等級劃分，由地質調查法、物探法確定異常區域，采用鉆探法標定有害氣體準確位置并采取樣品測試。預報重點是對有害氣體的危險性評價。

3 應用實例

3.1 新平隧道6號橫洞涌水突泥預報

3.1.1 工程概況

H6DK 0+513～+485 段隧道圍巖為前震旦系昆陽群板巖夾砂巖，圍巖受構造影響嚴重，地下水發育。地質復雜程度預分級為復雜，按涌水突泥預案探測，重點是對前方涌突風險的判斷。

3.1.2 地質調查法

根據地表補充地質調查及洞內地質素描，H6DK 0+513～+485 段巖性為黃褐色砂巖，強風化～全風化，節理裂隙發育，裂隙寬度3～5 mm，破碎且結合差，局部夾有泥質夾層，掌子面整體濕潤、滲水。

3.1.3 物探法

（1）地震波反射法，推測HDK 0+601～+500 圍巖破碎～局部極破碎，巖質軟，節理裂隙發育～很發育，滲水～局部弱富水，其中HD6K 0+601～+585、HD6K 0+577～+543 和HD6K 0+537～+510 段存在軟弱層及裂隙，裂隙水量增大，如圖2所示。

圖2 HDK 0+601～+500 段TSP 探測成果圖

（2）瞬變電磁法，推測HD6K 0+535～+495 段圍巖破碎～局部極破碎，節理裂隙發育～很發育，滲水，前方、中上方低阻異常明顯，富水，存在較多夾層及裂隙，如圖3所示。

圖3 HDK 0+601～+500 段TEM 探測成果圖

3.1.4 鉆探法

超前地質鉆探3 孔及加深炮孔5 孔探測，根據鉆進速率和返碴返水情況，判定H6DK 0+515～H6DK 0+485巖體破碎～極破碎，鉆孔單孔出水量0.8～2.5 L／s，水質較清，總匯水量約6 L／s。

3.1.5 綜合分析

H6DK 0+513～+485 段為砂巖，黃褐色，強風化～全風化，節理裂隙發育，巖體破碎，局部極破碎，結合差，局部夾泥質夾層，地下水發育，水量約6 L／s。全段溜坍風險較大，其中H6DK 0+513～+495 段上部存在局部突涌風險。

3.1.6 開挖揭示

隧道施工至H6DK 0+503.4 時，掌子面左上部超前鉆孔水量增大，鉆孔中有渾濁泥漿涌出，現場人員及時安全撤離；隨后涌突由鉆孔處發生，圍巖破壞，涌突物以砂巖質碎石和角礫為主，攜帶大量泥質，涌突物約400 m3；開挖地質情況與綜合分析結論相符。

3.2 曼么二號隧道巖溶涌水預報

3.2.1 工程概況

曼么二號隧道斜交二疊系下統棲霞組（P1q）灰巖，長約420 m，地質復雜程度預分級為中等復雜。隧道開挖至D1K 406+183 處時，上臺階掌子面中間靠右側拱腰及邊墻3 處炮孔中有股狀水呈拋物線噴出，噴射5～7 m 遠，實測匯總出水量3～4 m3／min，水質清澈。該隧道地質復雜程度分級調整為較復雜，按巖溶預案進行探測，重點是為查明巖溶涌水類型、位置、與地表水聯系等特征及其危害程度。

3.2.2 地質調查法

D1K 406+183 處洞內地質素描顯示，圍巖為灰巖，巖硬，層理不明顯，巖體較破碎，節理裂隙較發育，地下水很發育。

地表補充地質調查顯示，隧道洞頂地表發育一沖溝，與線路斜交，常年流水，水量較大。經沿沖溝上、下游1 km 范圍進行調查，溝內水流湍急，溝內及河溝兩側未見明顯漏水、落水洞、漩渦等現象。在上下游選取5 處相對較規則的斷面進行溝水流量實測，結果表明，流量無明顯變化，推斷隧道洞內涌水與地表水無明顯關系。

3.2.3 物探法

（1）地震波反射法，DK 406+183～DK 406+218段縱波出現2 組強P 波反射和4 組強S 波反射，巖體P／S波速比值在該段明顯增加，推測該區間圍巖巖體節理裂隙發育且分布集中，并富含裂隙水，如圖4所示。

圖4 D1K 406+183～+313 段TSP 探測成果圖

（2）地質雷達，推測上臺階前方偏左5～40 m（D1K 406+188～D1K 406+230）間有一與隧道走向近平行的破碎帶，富水，延伸較遠，如圖5所示。

圖5 地質雷達探測成果圖（圖像反轉）

3.2.4 鉆探法

根據地質調查及物探成果，布置水平鉆8 孔，實際施作14 孔，孔深24～30 m，外插角0～15°，鉆孔布置如圖6所示。鉆探結果表明，其中9 孔出水，5 號、8 號孔分別鉆進至4 m、7 m 時有水噴出，其余孔出水在10～15 m 深度，各孔出水初始渾濁，含細砂，13～49 h后清澈。鉆進中5 號孔在DK 406+184 時有10 cm突進，其余鉆孔鉆進過程中均無突進現象，但存在局部卡鉆現象。鉆孔觀測總時長為16 d，期間水量無衰減趨勢，9 孔累計水量520～580 m3／h。

圖6 水平鉆孔布置示意圖

3.2.5 綜合分析

曼么二號隧道DK 406+183 掌子面前方3～9 m范圍內為棲霞組灰巖，巖質較硬，節理裂隙較發育。推測前方3～9 m（DK 406+186～+192 段以后）圍巖強度較低、巖質偏軟，節理與裂隙發育，或為裂隙密集帶，富水，存在較大涌水風險，DK 406+184 處存在一小型空洞或溶蝕裂隙，巖溶中等發育。

3.2.6 開挖揭示

曼么二號隧道DK 406+183～+223 段采取超前加固、泄水處治措施后，開挖出渣均為棲霞組灰巖，巖體破碎，主要存在3 組發育溶蝕裂隙，走向不規則，以陡傾為主，間距約0.8～0.2 m，無充填，溶蝕面起伏不平，呈棕黃色；圍巖受裂隙切割呈塊狀結構，局部為碎石狀壓碎狀結構，地下水主要為巖溶裂隙水，開挖過程未見明顯溶蝕空洞及巖溶管道。開挖地質情況與綜合分析結論相符。

3.3 太達村隧道弱膠結砂巖

3.3.1 工程概況

太達村隧道全長5 815 m，主要穿越下第三系漸新至始新統（E2-3）泥巖、炭質泥巖、礫巖、砂巖，Ⅳ級圍巖，地質復雜程度預分級為簡單。斜井工區正洞小里程施工至DK 241+784 遇弱膠結砂巖，地質復雜程度分級調為復雜，按其它預案中第四系松散富水圍巖探測，重點為探測弱膠結砂巖分布段落和我含水特征，為優化施工組織和確定處治方案提供依據。

3.3.2 地質調查法

該隧道施工至DK 241+784 時，上臺階掌子面左側出碴后出現少量滲水，緊接著出現持續掉塊，形成小塌腔；在初噴無效的情況下，掌子面拱部持續坍塌，作業臺車被后推5 m，坍塌物堆滿掌子面。堆積物呈粉砂狀，淺灰色，手捏無強度，塊體可見沉積層理，掌子面拱部及左側未見滲水，右側碴體下方見滲水痕跡，坍塌物累計約300 m3。

地表補充地質調查，洞內坍塌段地表及附近未見明顯變形、開裂、沉降。

3.3.3 物探法

（1）地震波發射法，推測DK 241+780～DK 241+764 段節理裂隙發育，巖體破碎，地下水較發育；DK 241+764～DK 241+722 段節理裂隙較發育～發育，巖體較破碎～破碎，地下水局部較發育。

（2）地質雷達探測，推測前方7～23 m 可能為軟弱夾層或泥砂、富水填充，前方1～3 m 段波形反射較強，圍巖較破碎，節理裂隙較發育。

（3）瞬變電磁法，采用洞內地表沿線路縱向對未開挖段探測，綜合反演推測沿隧道縱斷面DK 241+280～+320、DK 241+500～+630 和DK241+710～+784 段存在較大的相對低阻區，推測為極破碎、極軟弱或富水巖體。

3.3.4 鉆探法采用洞內水平鉆孔及地表沿線路中心兩側交替布置垂直鉆孔，對物探法異常區域進行鉆探驗證。

3.3.5 綜合分析

綜合物探及鉆探法結果，推測DK 241+500～+630、DK 241+710～+784 為弱膠結砂巖，松散粉砂狀，飽水時呈流沙狀，為Ⅵ級圍巖，其余段落以礫巖、砂巖、炭質泥巖為主，為Ⅴ級圍巖。

3.3.6 開挖揭示

弱膠結砂巖段經過洞內與地表注漿、管棚、泄水等措施超前加固處理后，施工得以進行，未開挖段落經過進口、斜井同時增加平導超前施工，使得該隧道工期得以保證。開挖揭示弱膠結砂巖分布于DK 241+504～DK 241+594、DK 241+694～DK 241+784 段，與超前地質預報綜合分析成果基本相符,如圖7所示。

圖7 太達村隧道施組調整后的施工示意圖

4 結論

本文通過研究綜合超前地質預報在玉磨鐵路復雜地質隧道的應用，總結得出以下主要結論：

（1）針對長大地質復雜隧道的超前預報，應采用多種手段相互結合、相互印證的模式開展預報工作。地質調查法是基礎，不僅需要開展洞內地質素描，也包括地表補充地質調查，綜合分析工作是重點。

（2）隧道開挖過程中，應根據揭示工程地質與水文地質條件、地質因素對隧道影響程度及誘發環境問題的程度，動態調整地質復雜程度分級。

（3）對隧道開挖中可能出現的各類不良地質，如突水突泥、巖溶、巖鹽、弱膠結砂巖、有害氣體等，應采用不同的探測手段組合，編制針對性的超前地質預報探測預案，根據地質復雜程度分級，動態調整探測手段和技術要求。

（4）超前地質預報工作不僅要探明不良地質體降低施工風險，為隧道開挖確定圍巖級別、設計參數和工程措施提供依據，而且也要為全隧施工組織優化、確保工期提供有利支撐。