岩溶隧道超前地质综合预报技术应用与实践

邹鑫

摘要：乐西高速银厂沟隧道不良地质问题较多，特别是岩溶问题尤为突出；单一预报手段难以全面反馈地质信息，导致施工突泥塌方事故频发。建立以地质分析为核心，综合物探手段，长短预报结合的模型体系，以开挖验证模型的合理性。通过工程实例表明预报的较好成功率，并预防了施工过程中的坍塌和突泥事件，确保施工安全，具有较好的借鉴经验。

关键词：高速公路；岩溶隧道；超前地质预报

1 引言

现阶段四川高速公路主要集中在地质复杂、岩溶发育的“三州”地区。高速公路隧道地质复杂，隧道超前地质预报也被纳入施工必须工序，在岩溶等不良地质区域隧道显得尤为重要。超前钻探法、地质雷达法、瞬变电磁法、地震波反射法等超前地质预报技术在工程实践中日渐成熟[1~2]，然而针对岩溶隧道而言，单一的手段不能满足施工需要，无法详细预报岩溶形态及规模大小。本文以乐西高速银厂沟隧道为典型岩溶隧道进行超前地质预报工作，提供一种配置岩溶隧道的合理预报方案[3~4]，为类似工程提供借鉴经验。

2 超前地质预报方法评价

表1 常见超前地质预报方法分析表

预报方法	预报距离m	优点	缺点
地面勘察	全洞深	不影响施工，为整个隧道提供地质资料	结果粗略，可用性不佳
地质素描	30	不影响施工	需要实践经验
TGP	120	距离长，预报较为准确	对溶洞预报效果较差
GPR	30	探测岩溶发育较好	探测距离较短，受干扰
瞬变电磁法	80	对水体预测较好	对破碎围岩效果不佳
超前水平钻	80	准确度高，预报效果较好	影响施工，费用高

3 岩溶隧道综合预报模型

建立综合预报流程体系，首先对隧道区域进行资料的收集与实地踏勘，大致确定不良地质体位置。结合地质素描及各种预测手段的合理性选用最佳方案。

针对银厂沟隧道，主体表现为破碎夹泥，岩溶发育，一般富水，以掌子面素描为基础，采用短距离预报手段GPR探测岩溶存在情况，结合长距离预报手段TGP探测岩层机理情况。合理选用瞬变电磁法针对富水地段进行预测，以及地质情况难以探测时，选用超前水平钻孔。

4 工程应用

4.1 工程概况

银厂沟隧道位于国有212林场内，隧道全长4246m，最大埋深672m，地质表现为上伏粉质黏土，下为灰岩，节理裂隙发育，围岩条件较差，此外洞身穿越可溶灰岩地段，大气降水较为丰富，对隧道整体稳定性影响较大，

4.2 地质雷达、地质素描等方法的应用

仪器系统为中国科学院电子学研究所生产的CAS-S100型地质雷达，使用发射频率为100MHz的屏蔽天线。

4.2.1 掌子面地质素描

开挖揭露左侧大部与右侧局部未黄色碎石土，极软，松软散体结构，其他区域岩性为深灰色中风化灰岩，岩质较硬，碎裂结构，节理产状杂乱，钙质胶结，掌子面湿润，拱部渗、滴水。

图1 地质素描图                 图2 掌子面施工现场

4.2.2 地质雷达法分析

根据掌子面现场实际情况，布置测线进行雷达测设。

图3 雷达探测图像

根据图象反馈，右半幅主要为低频信号，同相轴较连续，振幅较高，堆叠状反射。左半幅主要为中高频信号，振幅较低。推测该段右半幅大部围岩完整性、富水性较左半幅差，稍富水。建议围岩等级为V级。

4.3 TGP法的分析

仪器系统为北京水电物探研究所生产的TGP206型隧道超前预报仪系统。本次探测沿隧道出口右侧（面向掌子面)边墙布设24个炮点，1个三分量检波孔，组成单边观测系统。炮点间距1.5米，距离掌子面最近一个炮点38米，第一个炮点距检波器10米,检波器孔深2米，采用断路激发接收。

4.3.1 掌子面地质素描

掌子面岩性为深灰色中风化灰岩，岩质较硬，呈碎裂结构，节理裂隙发育，右侧发育一个竖向非填充型溶腔，开挖轮廓线内外均眼深，掌子面湿润。

图4 地质素描图

图5 同侧纵波成像图

该段初始纵波速度Vp=4530m/s，横波速度Vs=2170m/s，地震波反射系数能量于K56+975~K56+950 较强，其他区段较弱，有明显反射界面，比速度图Vp、Vs于 K56+960附近升高后基本稳定。

推测K56+975~K56+947围岩完整性、硬度、富水性维持掌子面现状,岩质较硬，岩体较破碎，大部夹泥或岩溶发育，稍富水,K56+947~K56+855较前段好转，段内波动较小，岩质较硬，岩体较完整～较破碎，不富水，其中 K56+902~K56+878大部，同侧纵波绕射成像切片图见负反射，岩体夹泥。建议围岩等级为IV级。

4.4 超前水平钻探法的应用

采用ZDY-1250型液压地质钻机施工，全液压动力头式结构。

4.4.1 掌子面地质素描

掌子面岩性为，灰色中层状中风化灰岩，岩面锤击声较哑，稍回弹，岩质较软，呈层状镶嵌结构，岩层产状杂乱，节理裂隙较发育，多贯穿型，岩体较破碎，中下部夹泥，左侧拱腰处揭露非充填型溶腔，向上延伸，掌子面湿润，时有掉块，自稳能力较差，见地质素描表。

 

图6 掌子面地质素描图                   图7 施工现场图

4.4.2 超前水平钻探法的分析

图8 钻探地质分析图

该段整体地质情况较掌子面现状恶化，岩性主要为灰岩，ZK57+319~297岩质软硬不均，岩体较破碎，少量夹泥，其中310~307存在半填充型溶腔，297~286岩质软，岩体破碎夹泥，不富水。

5 结语

（1）分析对比隧道中常用的超前地质预报手段，如地质雷达法、TGP法等分别针对不良地质体选用各类手段的合理性，提供依据模型

（2）通过上述手段表明，地质雷达法较适用于短距离的溶洞、断层及特殊地段情况；TGP法较为适用于长距离的断层、破碎带的预报；超前水平钻探较为适用于实际现场情况，准确率较高。

（3）通过银厂沟隧道的岩溶超前地质综合预报手段表明，以地质分析为核心，结合多种预报手段，以短距离加长距离的探测技术，辅助水平钻探的解释性，使得整个隧道的预报成功率达到80%，达到了较好的预报效果，为类似工程施工提供借鉴经验。

参考文献：

[1]赵永贵.国内外隧道超前预报技术评析与推介[J],地球物理学进展,2007,22(4):1344-1352

[2]王正成,谭巨刚,等,地质雷达在隧道超前地质预报中的应用[J],铁道建筑,2005(2):9-11

[3]郭如军,丁建芳.综合预报技术在隧道岩溶探测预报中的应用研究[J],现代隧道技术,2013,50(5):158-163

[4]王锦山,王力,等.隧道施工超前地质预报理论基础与方法[M],武汉:中国地质大学出版社,2012