綜合超前地質預報技術在貴南鐵路巖溶隧道中的應用

王玉琴，高樹全>

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610000)

1 引 言

巖溶在西南地區(qū)發(fā)育分布廣泛，是西南地區(qū)鐵路建設中的主要工程地質問題之一。隨著西南巖溶地區(qū)地下工程日益增多，地下工程施工中遭遇巖溶災害的機率大大增加，特別是在長大深埋巖溶隧道建設過程中，經常遇到突泥涌水、巖溶塌陷等不可預見的地質災害，造成人員傷亡、財產損失及工期延誤等不良后果，嚴重影響著隧道施工的安全性和高效性。為了降低隧道的施工風險，保障隧道施工安全，施工前均開展超前地質預報工作，用以查清隧道開挖工作面前方的工程地質及水文地質條件。

隧道超前地質預報技術發(fā)展至今，已經形成了一套完備的技術體系，特別是綜合超前地質預報技術在巖溶預報方面的應用，建立了隧道超前地質預報“洞內外結合，以洞內為主；長短結合，以短為主”原則[1]；在巖溶發(fā)育與致災理論上，開展了巖溶災害機理與預報技術相結合的綜合研究，提出了防治巖溶突水突泥災害的技術措施與預報體系，解決了巖溶發(fā)育隨機性和復雜性與物探探測結果之間的多解性問題，提高了隧道突涌水致災地質構造探測的準確性[2-4]；在技術方法上，不斷發(fā)展了適用于隧道狹窄空間探測的先進物探探測技術，研究了各種參數組合或方法組合，提高了復雜巖溶隧道超前地質預報方法組合的針對性[5-8]。本文在前人的研究基礎上，研究了地質調查與勘探相結合、物探與鉆探相結合的綜合超前地質預報方法在貴南鐵路巖溶隧道建設中的系統(tǒng)性應用，并取得了良好的效果。

2 工程概況

貴南高鐵線路穿過黔桂高原過渡帶及桂西巖溶峰叢洼地、峰林平原區(qū)，地質條件復雜，巖溶不良地質特別突出，隧道的施工風險高。九萬大山一號隧道是貴南鐵路I級高風險長大隧道，是全線控制性工程，位于廣西盆地向云貴高原延伸的貴州高原斜坡帶，屬貴州高原中低山剝蝕地貌和溶蝕丘峰洼地地貌，主要穿越二疊系下統(tǒng)茅口組和棲霞組灰?guī)r、石炭系上統(tǒng)馬平組灰?guī)r、石炭系中統(tǒng)黃龍組灰?guī)r夾白云巖等可溶巖地層，地下水以第四系土層中的孔隙水及基巖裂隙水、巖溶管道水為主，下穿19個與隧道工程關系密切的地表洼地，并上跨4條暗河，極有可能發(fā)生涌水突泥問題。

3 超前地質預報實施方案

常用的隧道超前地質預報方法主要是地質調查法、物探法和超前鉆探法[9]。

3.1 地質調查法

地質調查法是一種適用于各種地質情況的隧道預報方法，它是根據隧道地質勘察資料和洞內地質調查，利用常規(guī)地質理論、地質作圖和趨勢分析法，將地表勘察的地層巖性、地層分界線及地質構造線與隧道進行相關性分析，推測開挖工作面前方地質情況的超前地質預報方法[10]。

3.2 地震波反射法

地震波反射法是利用人工激發(fā)的地震波在不均勻地質體中所產生的反射波特性來預報隧道掘進工作面前方地質情況的一種方法，能對隧道前方具有較明顯波阻抗差異的地層界線、構造破碎帶、大型溶洞及含水帶等進行較準確的探測與判定[11]。作為長距離預報手段(預報距離一般在120 m左右)，它具有劃定異常規(guī)模范圍、提前預警及指導中短距離預報實施的優(yōu)點[12]。

3.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場，通過對該二次場的空間和時間分布的分析來認識有關地質問題[13]。瞬變電磁法是基于電性差異來劃分不同巖性地層、構造破碎帶等異常體，屬于時間域的電磁感應方法，其瞬變曲線衰減的快慢與目標地質體的導電性有關，且對低阻體(特別是水體)反應靈敏，根據這一特性用以探測隧道前方的水文地質情況[14](預報距離一般在80 m左右)。

3.4 地質雷達法

地質雷達法是通過分析反射電磁波的振幅、頻率、強度、雙程走時等參數信息對圍巖(如：溶洞、含水體、巖性分界面等)性質進行解釋的方法(預報距離為20～35 m)[15]。地質雷達法具有探測速度快、占用施工時間少、成果直觀等優(yōu)點，并能對常見的溶蝕裂隙帶、溶洞和富水巖溶管道等進行有效預報，被廣泛地應用于巖溶隧道超前地質預報[16,17]。

3.5 超前鉆探法

超前鉆探法包括超前地質鉆探和加深炮孔探測。超前地質鉆探是利用鉆機在隧道開挖工作面進行鉆探來獲取地質信息的一種超前地質預報方法。一般采用沖擊鉆，必要時采用回轉取芯鉆。在采用沖擊鉆時，是根據鉆進特征(沖洗液顏色、流量變化、卡鉆位置、突進里程及沖擊聲變化等)進行地質情況判識。常規(guī)預報距離為30～50 m，也可根據鉆機性能及解決地質問題的需要采用100 m以上的鉆孔。

加深炮孔探測是利用風鉆或鑿巖臺車等在隧道開挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質信息，其預報原理與沖擊鉆相同。加深炮孔在巖溶隧道普遍采用，尤其在巖溶發(fā)育區(qū)，一般規(guī)定加深炮孔應較爆破孔(或循環(huán)進尺)深3 m以上，且?guī)в幸欢ǖ耐獠褰?，以便在臨近不良地質體時能及時發(fā)現前方存在的不良地質情況(預報距離為5～8 m)。

綜合九萬大山一號隧道巖溶地質情況和各類預報方法的適用條件和優(yōu)缺點，依照巖溶預報以地質調查法為基礎、超前鉆探法為主、輔以多種物探手段進行綜合超前地質預報的原則，超前地質預報實施方案采用如表1所示的組合方式，隧道綜合超前地質預報實施流程如圖1所示。

表1 不同巖溶地質條件下的預報方法組合方式

圖1 隧道綜合超前地質預報實施流程Fig.1 Implementation flow chart of tunnel comprehensive geological prediction

4 綜合超前地質預報技術的應用實例

本應用實例為隧道含水溶腔預報，實例工點位于九萬大山一號隧道出口平導PDK192+438處，施工掘進方向由大里程至小里程。根據本工點巖溶發(fā)育情況，超前地質預報組合方式適用于表1中的類別Ⅴ，即采用地質調查法、地震波反射法、地質雷達法、超前地質鉆探及加深炮孔，并在實施過程中根據地質情況進行預報方法的動態(tài)調整。

4.1 地質調查分析

九萬大山一號隧道PDK191+950～PDK192+850段洞身走向為NW22°～NE8°，埋深250～390 m，基巖為石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2hn)灰?guī)r夾白云巖，巖層產狀為N20oE/17oNW。本段巖溶強烈發(fā)育，其地表附近分布7個洼地(分別是嶗山村5#、6#、7#、9#、10#、11#、12#洼地)，洼地均無積水，消水通暢，未見明顯落水洞、漏斗。施工揭示PDK192+850～+438段巖體完整，巖性為灰?guī)r，

呈灰白色，中厚層狀，產狀為N21oE/16oNW，節(jié)理發(fā)育密集，方解石脈充填，層間結合度較好。

4.2 地震波反射法

對PDK192+515～+400段進行了地震波反射法探測，在PDK192+524.5～+559.1段的右邊墻，按約1.50 m的間距布置24個激發(fā)孔分別激發(fā)地震波，孔深1.40～1.60 m不等，均采用炸藥作為激發(fā)震源，在PDK192+572.8的兩側邊墻位置分別布置地震波信息接收孔。原始數據經過分析處理后，得到縱橫波速度(VP、VS)、泊松比(μ)、動態(tài)楊氏模量(E)等巖石物性參數成果圖，見圖1所示。根據成果圖分析，得出結論：PDK192+445～+430段負反射波密集分布，與上一段PDK192+470～+445段相比較，本段巖體縱橫波速度均下降、泊松比增大，動態(tài)楊氏模量降低，具體參數變化情況見表2，從該巖石屬性變化特征預測PDK192+445～+430段裂隙或巖溶發(fā)育，存在巖溶管道并有流體的存在。

圖2 巖體物性參數Fig.2 Physical parameter diagram of rock mass

表2 巖石物性參數變化(PDK192+470～+445段對比PDK192+445～+430段)

4.3 地質雷達法

在PDK192+441掌子面進行了地質雷達法預報，采用100 m屏蔽天線，時窗長度為600 ns，采樣率為512。預報里程范圍為PDK192+441～+411，數據處理后得到的雷達圖像如圖3所示。

圖3 地質雷達信號圖像Fig.3 Ground penetrating radar signal image

從圖像中分析得出,在深5～12 m范圍存在自右側向左側延伸的強反射波組和能量團，且反射波組具有反射系數為負、振幅反向、頻率低的特征，說明反射界面兩側介質的電磁學性質差異大，并由介電常數小的介質進入介電常數高的介質。通過對上述異常區(qū)域信號的分析得出結論：DK192+436～+429段自掌子面右側向左側發(fā)育含水體或充填濕潤泥土溶腔。

4.4 瞬變電磁法

根據地震波反射法和地質雷達法解譯的巖溶物探異常，為了進一步探測巖溶物探異常的賦水情況，增設了瞬變電磁法探測。采用中心回線組合裝置，激發(fā)線圈為邊長2 m的正方形線圈，激發(fā)線圈匝數10匝，供電電流為4.5 A，采樣時間100 ms，采樣率250 kHz，疊加次數不少于100次。采用水平斜向下30°、水平方向、垂向及斜向上30°四條測線的瞬變電磁測線布置方式，如圖4所示。經專業(yè)軟件處理后得到瞬變電磁探測視電阻率等值線圖，見圖5所示。從視電阻率等值線圖可以清晰看到掌子面前方深度11 m附近和46～53 m范圍內(即PDK192+427附近和PDK192+392～+385段)存在邊界分明的低阻異常區(qū)域，結合現場地質情況，推測PDK192+427附近及PDK192+392～+385段為溶蝕裂隙帶，局部存在含水溶腔。

圖4 瞬變電磁法測線布置示意圖Fig.4 Sketch diagram of transient electromagnetic survey line

圖5 視電阻率等值線Fig.5 Contour map of apparent resistivity

4.5 超前地質鉆探及加深炮孔

結合物探成果，在PDK192+441處掌子面中心先實施超前地質鉆孔1孔，鉆孔顯示深度7.7～7.8 m段、8.5～8.8 m段沖洗液由灰白色變?yōu)辄S色，沖擊聲由清脆變?yōu)槌翋?，存在突進現象。施工至PDK192+438時施做加深炮孔，發(fā)現右側拱腰處的炮孔在鉆進深度2 m時出現突水，水呈黃色，深度為3 m時出現卡鉆，內含細砂及細粒光圓卵礫石，出水量漸增，據此初步推斷掌子面前方應存在富水溶腔或管道。

為進一步查清掌子面前方富水溶腔或管道的規(guī)模、分布范圍，增加了探測孔的數量，調整了探測孔方位及角度，超前地質鉆探孔位布置如圖6所示。在掌子面右側增加加深炮孔探測，增設的30個炮孔均出水，最大出水孔位于底板上方6.2 m處，噴射距離為9 m。7個鉆孔的鉆進特征如表3所示。

表3 超前水平鉆孔主要鉆進特征

通過對超前地質鉆孔和加深炮孔的沖洗液顏色、水流量及突進段落位置的特征進行分析，可以得出結論：在PDK192+436～+431段洞身右側發(fā)育溶蝕裂隙，存在富水巖溶管道，且該溶腔在洞身輪廓線范圍內發(fā)育最寬處只有20 cm，鉆孔水壓及水量均呈下降趨勢。

4.6 綜合分析結論

綜合上述各種預報方法的探測結果，可以判釋PDK192+436～+429段巖性為弱風化灰?guī)r，圍巖較完整—較破碎，裂隙發(fā)育，且從隧道洞身右側向左側發(fā)育充填粉質黏土巖溶管道，含水；PDK192+392～+385段為溶蝕裂隙帶，存在溶腔。建議在PDK192+436～+429段及PDK192+392～+385段注意防范突泥涌水風險，施工時采用“短進尺、弱爆破”方式開挖，減少對溶腔的擾動，及時施作初期支護，防止局部塌方、掉塊等工程地質問題發(fā)生。

隨著超前地質鉆孔增多，鉆孔排水泄壓的作用逐漸增大，巖溶管道的水位及水量也逐步下降，隧道發(fā)生涌水突泥的風險逐漸降低，施工安全風險可控。

4.7 開挖揭示情況

在PDK192+436～+433段洞身右側拱墻位置發(fā)育填充砂夾卵礫石、淤泥型巖溶管道，腔體濕潤，巖溶管道向拱頂上方發(fā)育，發(fā)育方向與隧道走向垂直相交，未見邊界，見圖7(a)；在PDK192+389附近發(fā)育填充濕潤黃泥溶腔，向洞身輪廓線外延伸，延伸方向與隧道走向垂直相交，未見邊界，見圖7(b)。

圖7 開挖揭示巖溶管道及溶腔Fig.7 Karst pipeline and cave revealed by excavation

5 結 論

應用隧道綜合超前地質預測預報技術，探明了掌子面前方的地質情況，避免了地質災害的發(fā)生，為下一步工程處理提拱了地質依據，有力保障了隧道的安全施工。

巖溶隧道超前地質預報實施過程中，不能過分依賴于單項方法的成果，應采用長、短距離相結合，充分發(fā)揮各種預報方法的優(yōu)勢，相互指導、驗證進行綜合研判，以提高超前地質預報的準確性。

巖溶隧道超前地質預報中，地質雷達、超前地質鉆探和加深炮孔三種方法在短距離探測(或進一步查清)巖溶規(guī)模、分布范圍及巖溶填充性質時，精度相對較高，應得到合理利用；施工過程中須注重加深炮孔探測的實施，作為臨近預報手段，其具有最后一道安全門的作用。