隧道穿越溶洞富水區超前地質預報與處置

李堅 張鐸 鄧朝陽 郭亞欣 孫興邦

摘要：

隧道綜合超前地質預報是對地表勘探的有效補充，可在隧道施工期提供掌子面前方不良地質災害源信息。以滇中引水工程為例，通過地質勘測資料分析、地震波法和電阻率法相結合的綜合超前地質預報系統，探測出該工程區4個易出現突泥涌水災害的區段，并針對性地提出了超前預注漿的處理方案。現場驗證結果表明：提出的預報方法對隧道穿越溶洞富水區時掌子面前方不良地質條件實現了超前地質預報，基于預報結果提出的施工處置技術可以針對不良地質條件進行有效治理。

關 鍵 詞：

綜合超前地質預報； 溶洞富水區； 不良地質條件； 地震波法； 電阻率法； 滇中引水工程

中圖法分類號： TV221.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.024

0 引 言

近年來，隨著中國經濟的高速發展，交通基礎設施建設發展更加迅猛，隧道和地下工程領域尤為突出［1-3］。隨著隧道建設快速推進，隧道工程建設過程中，特別是隧道穿越溶洞富水區時，可能會遇到大型溶洞、突水涌泥等地質災害［4］，造成經濟損失和人員傷亡，降低了隧道施工的安全性和高效性。所以，對于隧道穿越溶洞富水區的超前地質預報和施工技術研究已刻不容緩［5］。

國內外學者對于隧道的綜合超前探測做了大量的研究，對地震波法、激發極化法、瞬變電磁法等超前地質預報方法進行了探索［6］。聶利超［6］提出了多同性源陣列激發極化超前探測新方法，結合水量預測以及三維反演成像，對隧道含水構造進行了超前地質預報研究；孫懷鳳［7］針對瞬變電磁探測與預報，結合隧洞含水構造與突水災害問題進行了研究；李術才等［8］對隧道施工過程中超前地質預報的發展趨勢及其中的關鍵問題進行了預測分析；雷明峰等［9］提出構建針對復雜地質條件下隧道淺埋段全空間綜合超前地質預報方案，并進行了工程實踐應用；李術才等［10］以激發極化法為基礎，提出利用三維電阻率反演方法對隧道含水構造進行探測；韓自強等［11］利用波速差異，研究了特殊地質條件下地震波法和瞬變電磁法相結合的超前地質預報方法。因此，隧道綜合超前預報已成為目前研究的主流趨勢之一［12-15］。

相對于其他超前地質預報方法，地震波法探測距離相對較遠，可定量反映巖體參數，對于工作面前方遇到與隧道軸線近乎垂直的不連續體（溶洞、節理、裂隙等）界面的確定，結果比較可靠。相對于瞬變電磁法和地質雷達法等，電阻率法受到電磁干擾影響較小，能夠探查掌子面前方的預測斷層、溶洞和富水帶的位置和規模。

本文以滇中引水工程為例，通過地震波法和電阻率法相結合，對隧道穿越溶洞富水區進行綜合超前地質預報，以探明溶洞富水區情況，并進行施工處置技術研究，確保隧道施工安全。

1 工程概況與主要工程問題

1.1 工程概況

滇中引水工程地處云南省西北部，該工程所處山地峽谷區屬橫斷山系切割。區內高山、深谷、盆地構成了長條狀斷陷盆地，山體上部為北西高、南東低的特征。石鼓水源工程水源1-1號、2-1號進水隧道分別長2 564.19 m和2 488.19 m，兩隧道中心線間距為30 m，凈洞徑6.7 m；1號、2號沖江河進水涵管長度分別為815.19 m和828.19 m，單孔斷面尺寸6.3 m×6.3 m。采用鉆爆法施工，雙孔布置。該隧道工程地質圖如圖1所示。

1.2 主要工程問題

如圖2所示，滇中引水工程中水源1-1隧道位于鮮水河-中甸-麗江-大理地震活動帶西側緣。該區域內地震活動的強度與頻度偏大，地震震中位于區內北東、東部，主要與活動斷裂的分布相關。由于石鼓水源工程場地在大地構造上屬于松潘-甘孜褶皺系內，屬二級構造單元，所以該區域重磁異常較為明顯。新構造運動以來，差異活動較強，場址區地震基本烈度為Ⅷ度。所以該隧道工程地質條件極為復雜，隧道穿越溶洞富水區時施工難度與施工風險較高。

隧道工程區圍巖巖性以石英片巖及片理巖化灰巖為主，局部溶蝕風化加劇并發育溶洞。由于當地的內動力地質作用較活躍，巖體的整體裂隙程度偏高，又由于雨水與圍巖長期的物理化學反應，圍巖強度偏低。地下水主要類型為巖溶水，地層富水性強，開挖時易出現股狀水和坍塌。局部溶蝕風化加劇處極易出現垮塌、突涌水災害，嚴重影響隧道穿越溶洞富水區時的施工安全。

2 隧道穿越溶洞富水區超前探測方法

針對掌子面前方不良地質情況，采用綜合超前預報方法進行探測預報，包括地質分析、地震波法以及電阻率法。

（1） 地質勘測資料分析。

在隧道施工前，通過鉆探和地面勘探相結合的方法，分析隧道施工過程中可能發生的地質災害。在隧道施工過程中，根據開挖段的節理、層理等構造等地質信息，對掌子面前方不良地質情況進行估計。

（2） 地震波法。

利用地震波法對隧道掌子面前方0～120 m進行超前地質預報，探測斷層、巖溶、破碎帶等不良地質體的位置和范圍。地震波法的基本原理（見圖3（a））是：當彈性波在巖石中進行傳播時，遇到波阻抗界面會產生反射波，界面兩側圍巖的波阻抗差別越大，反射波能量表現越強，更加容易被探測發現。通過收集布置在隧洞兩側的地震檢波器的信號，對信號數據進行處理（采用Ashida等［16］提出的算法進行數據成像）可以對隧道工作面前方不良地質條件進行探測和預報［17］。

（3） 電阻率法。

電阻率法可以利用探測對象與周圍介質之間的電阻率差異，對電場分布規律進行分析，進而探測含水構造體。通過分析測量電極所探測到的電位變化，就可以了解到隧洞掌子面前方不良地質的位置和規模等情況，從而達到對探測區域地質情況探測的目的。

本文采用的隧道電阻率法探測原理如圖3（b）所示，在掌子面后方隧洞兩側布置供電電極A，將供電電極B與N電極布置在隧道后方無窮遠處。實際探測過程中，將供電電極系A供入相同電流進行測量，不斷沿隧道軸線方向向后移動供電電極A，測量至預定探測位置［18-20］。

本文采用電阻率法探明掌子面前方0～30 m范圍內含水構造體狀況，預測掌子面前方含水構造體分布特征；主要探測對象是巖溶發育的中小型充水溶洞、向斜儲水構造及其它富水地層等含水不良地質構造。

3 工程實踐

在1號施工支洞下穿溶洞富水區時，進行綜合超前地質預報，預報范圍為K0+420～K0+520，掌子面附近涌水狀況如圖4所示。針對該段可能存在的塌腔涌水、強風化破碎帶、破碎富水區、強風化破碎區、風化破碎區、裂隙股狀水等地質情況，使用前述3種方法進行綜合分析，進而制定對應的施工處置技術方案。

3.1 工程地質分析

樁號K0+420處掌子面巖性為片理巖化灰巖，完整性程度為較破碎-破碎。圍巖風化程度為弱風化，右側溶蝕風化發育成溶洞，充填少量塊石，溶洞出水呈股狀涌出。區段內巖體破碎較多，節理裂隙發育復雜，易形成風化槽，隧道圍巖穩定性較差，強度較低。探測段由于節理裂隙發育等影響，涌水量增加，可能會發生突泥涌水等隧道災害。

3.2 地震波探測分析

探測采用便攜式WSAP，觀測系統布置在掌子面后方10～50 m范圍內的隧洞輪廓上。12個震源點布置在隧洞兩側的邊墻上，距離掌子面10 m位置，呈對稱式分布，震源點間距1～2 m。12個檢波點布置在隧洞兩側的邊墻上，呈對稱式分布，檢波點間距為2～3 m。隧道地震波探測成像如圖5所示。

（1） K0+420～K0+480段。該段地震波速度在 2 300～3 200 m/s的范圍內變化，存在明顯正負反射。其中，在K0+440～K0+450以及K0+470～K0+480附近區域，地震波速明顯下降，該段圍巖與掌子面類似，圍巖破碎，結構面發育，開挖時易發生坍塌。

（2） K0+480～K0+520段。該段地震波速度在 2 000～3 500 m/s的范圍內變化，反射波能量較上一段有所減弱，在K0+490～K0+500及K0+510～K0+520附近區域，地震波速明顯下降，同時出現零星正負反射，該段圍巖較破碎-破碎，結構面較發育，開挖時易發生坍塌。

3.3 電阻率法探測分析

為了確定隧道穿越溶洞的情況，在隧道掌子面中部共布置12～20個測量電極，供電電極探測8～10圈，每圈4個供電點。第1圈與掌子面間隔10 m，第2圈、第3圈、第4圈與前一圈的間隔均為2 m，第5圈與第4圈間隔5 m。同時借助于模型參數約束反演，得到電阻率反演三維成像圖和切片圖，如圖6所示。坐標原點為掌子面中心位置，X方向代表豎直方向，Y方向代表掌子面寬度方向，Z方向代表開挖方向。可以看到：

在K0+420～K0+450段，反演電阻率在400～1 000 Ω·m 范圍內變化，掌子面前方存在大片團狀分部的低阻異常區，低阻異常區內的電阻率為400～600 Ω·m。掌子面前方存在含水構造，地層富水性強，開挖時易出現股狀涌水，局部可能出現突涌水。

4 施工處置技術措施及驗證

4.1 施工處置技術措施

由上文可知，隧道穿越溶洞富水區過程中有掉塊、塌腔等不良地質狀況發生，為了防止溶洞富水區進一步發育，應及時采取合理的施工處置技術措施進行處理。

針對已開挖的隧道掉塊坍塌部分，需要進行立拱處理，防止二次災害事故發生。立拱措施完成后，首先實施混凝土注漿加固，然后進行回填工作。注漿管布置如圖7（a）所示，注漿管結構如圖7（b）所示。在注漿管埋設工作完成后，應對注漿加固段進行全環應急噴混凝土封閉工作，同時在這個過程中要及時鏟除鼓包，防止發生漏漿現象。

4.2 現場驗證

探測結果顯示，K0+440～K0+450、K0+470～K0+480、K0+490～K0+500、K0+510～K0+520這4個區段在開挖時易出現股狀涌水，突涌水災害。開挖至該樁號附近，圍巖破碎情況嚴重，掌子面涌水量增大，如圖8（a）所示，與前文隧道穿越溶洞富水區綜合超前探測結果一致。然后采取超前預注漿對溶洞涌出巖溶水進行及時封堵處理，注漿后效果如圖8（b）所示。

5 結 語

利用地震波法和電阻率法相結合對隧道掌子面前方的探測，可以較好地反映掌子面前方不良地質情況，完成對隧道穿越溶洞富水區綜合超前預報，確保安全、高效施工。

根據掌子面前方的地質情況進行合理的施工處置技術選擇，可有效避免突泥涌水等地質災害的發生。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

The comprehensive advanced geological prediction of tunnel is an effective supplement prediction to the ground surface exploration work，which can reveal the bad geological disaster source in front of the tunnel face during construction.Taking the water diversion project in central Yunnan as an example，through the comprehensive advanced geological prediction system and geological survey data analysis，the seismic wave method and the resistivity method，four sections prone to mud and water inrush disasters in the project area were detected，and the treatment scheme of advanced pre-grouting was put forward.The field verification results showed that the proposed prediction method can realize the advanced geological prediction of the unfavorable geological conditions in front of the tunnel face when the tunnel crosses the karst cave of the water-rich arer.The construction disposal technology based on the prediction results can help effectively deal with the unfavorable geologic conditions.

Key words：

comprehensive advanced geological prediction；karst cave in water-rich area；bad geological condition；seismic wave method；resistivity method；water diversion project in central Yunnan