．一。施工镀涞毒翻曩囊吏寐＿ 。 岩溶隧道施工综合超前地质预报技术研究 马 辉 ，陈寿根 ，谭信荣 （１．中铁二局集团公司，四川成都６１００３１；２．西南交通大学，四川成都６１００３１） 【摘要】 结合斗蓬山隧道施工的超前地质预报工作，分析了各种探测技术的适应性，探讨了岩溶地区 隧道施工综合超前地质预报技术和方法，可为我国同类工程施工的超前地质预报工作提供有价值的借鉴。 【关键词】 超前地质预报； 岩溶地区； 复杂地质条件； 高速铁路隧道 【中图分类号】ｕ４５２．１ ３ 【文献标识码】Ｂ 大开挖面积约１４８ ，最大开挖跨度约１４ ｍ，最大开挖高度 约１３ ｍ。 ２．１地质情况 １ 隧道施工超前预测方法 尽管在勘察设计阶段进行了地质勘察工作，但由于受地 形条件、勘察技术、经济性的，加上地质体的复杂多变， 地质勘察Ｔ作是很难把详细的地质情况反映出来的，从而导 致隧道施工中地质灾害时有发生，满足不了隧道安全施丁要 求，延误Ｔ期。世界各国为摆脱隧洞施Ｔ中对地质情况认识 不祥的被动局面，不断探索有效的超前地质预报方法。英、 法、１３、德等同均将隧道超前地质预报列为隧道工程建设的 重要研究内容。隧道施工中预测掌子面前方岩体的地质情 斗篷山隧道位于贵州省黔南州都匀市西郊，地处苗岭山 脉的腹部区，溶蚀、剥蚀峰丛地貌，山体绵延，沟壑纵横，沟谷 深切，地形起伏大，山体植被茂密。隧道洞身地质主要以灰 岩、白云岩为主，节理较发育，地表溶蚀发育程度强烈，洞内 岩溶强烈发育，地下水为岩溶管道水，含水量丰富，通过二条 断层破碎带，主要不良地质为岩溶、古崩塌堆积体、软质岩大 变形和岩爆等。 （１）岩溶，ＤＫ１０１＋８００前为可溶岩大面积出露，岩性以 白云岩、灰岩为主。地表普见溶痕、溶沟溶槽和石芽等，在地 形起伏不大的长坡及岩性分界处分布有地下暗河、溶蚀洼 地、漏斗等。 况是确保隧道安全施Ｔ的关键。 我国隧道施Ｔ地质超前预报研究始于２０世纪５０年代 中期，２Ｏ世纪７Ｏ年代真正开始了我国隧道施工期地质超前 预报的研究和应用。目前，我国隧道施工期地质超前地质预 报主要采朋＿丁程地质调查法、超前平行导坑法、物探法（ＴｓＰ、 ＨＳＰ、地震反射负速度法、地质雷达、陆地声纳法等）和以地 质法为基础结合物探的综合方法。 （２）古崩塌堆积体，分布隧道出口ＤＫ１０６＋０２２～＋２９５ 段，褐黄色、灰黄色，稍湿～饱和状、中密状，块、漂石含量达 ７５％，块径巨大，一般直径１００～３００ ｃｍ，最大块径厚度约６００ ２工程概况 斗篷山隧道为贵（阳）一广（州）高速铁路线上的一座Ｉ 级风险隧道。隧道里程为ＤＫ９８＋８４１～ＤＫ１０６＋２１０，全长 ｃｍ，石质成分主要为石英砂岩质、灰岩质，漂石间充填石英砂 岩质中密状细、粗角砾土，局部为硬塑状粉质粘土；厚达１５～ ４０ ｍ，为古崩塌堆积体。 （３）软质岩变形，ＤＫ１０３＋２００一ＤＫ１０３＋４００洞身围岩 ７ ３６９ ｍ，位于贵州省黔南州都匀市西郊，地处苗岭山脉的腹 部区（图１） 以薄层粘土页岩、砂质页岩为主，隧道埋藏深度大于４００ ｍ。 故围岩开挖后有产生过大变形的可能，故考虑该段为围岩变 形段，部分围岩可能存在软质岩大变形。 （４）岩爆，ＤＫ１０３＋４００～ＤＫ１０３＋５５０、ＤＫ１０４＋４５０～ ＤＫ１０４＋７００（洞身以石英砂岩为主）两段隧道埋深均大于 ４００ ＩＴＩ，且位于较稳定的单斜构造区，岩体内部应力开挖时易 突然释放，存在弱岩爆的可能。 隧道区水系属长江水系，清水江剑江支流，表水主要发 育于线路左侧２ ｋｍ以外。苗岭山脉在测区内走向近南北向 展布，近东西向和东北向的沟谷侵蚀切割强烈，水系沿构造 图１ 隧道下穿在建木恼山调整公路隧道 发育，并形成菱形网格状。 斗篷山隧道为单洞双线隧道，洞身最大埋深４７０ ｍ，进口 轨面设计高程９３２．８８８ ｎ ，出口轨面设计高程８５２．０５６ ｍ，人 字坡，隧道进口段上坡坡度３％ｅ，长２ １５９ ｍ，中间段下坡坡 度１６．７％ｅ，坡长４５００ ｍ，ｍ口段１７．３‰的下坡长７１０ ｍ。最 ［定稿日期］２０１１—０２—２３ ［作者简介］马辉（１９７１～），博士，高级工程师，现从事 高速铁路建设技术和建设管理工作。 四川建筑第３１卷２期２０１１．０４ １６７ ０罐 瓣嚣潮｜睡技未 ２．２重点与难点 施工时间；资料分析快，测量完毕，即可得出初步结论，室内 整理及编写报告也可在２ ｈ内完成。但缺点是只能测量出含 水体的方位，测量不出含水体隐藏深度及水量大小、水压等 参数。 （４）ＴＳＰ２０３超前地质预报系统（图３）是利用地震波在 不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方 本隧道工程施Ｔ重难点可归纳为： （１）隧道两次下穿高速公路，在软弱围岩地段安全通过， 确保隧道和高速公路的安全为本丁程的一大重点； （２）本隧道工程洞身断层破碎带多，同时穿越溶洞，施工 时易发生突水突泥。准确预报隧道岩溶等不良地质体，防止 突水突泥发生是本 程重点； 及周嗣临近区域地质状况的，ＴＳＰ方法属于多波多分量高分 （３）隧道斜井较长，进、出口单洞掘进较长，保持良好通 辨率地震反射法。 风、排烟、排水是本工程的难点。 ３综合超前地质预报技术及应用 ３．１超前地质预报技术 鉴于本隧道复杂的地质条件，通过文献调研，理论分析 以及现场实验等，最终确定了以地质雷达、超前地质探孔、红 外探水、ＴＳＰ、加深炮眼、孑Ｌ内雷达等综合超前地质预报技术 进行超前地质预报。 （１）地质雷达（亦称探地雷达）探测法是利用电磁波的 反射原理（图２），使用地质雷达仪器向隧洞掌子面发射，经 图３ ＴＳＰ原理示意图 地层界面反射返回隧洞掌子面，接收具有一定频率的高频脉 冲电磁波，通过识别和分析反射电磁波来探测与周边介质具 ＴＳＰ超前地质预报系统用于预报隧道前方０～１２０ ｍ范 有一定电性差异的目的体的一种电磁勘探方法。地质雷达 围内及周围临近区域地质状况，预测掌子面前方围岩的类 预报距离一般在２０—３０ Ｉｎ，它是综合超前地质预报技术体系 别；主要是对地质结构面、地质构造及地下水的预报，包括地 中的攻坚阶段。 层岩性界面、构造破碎带、富水带、岩溶发育带等不良地质 体，确定其位置、规模及大致产状，推测其性质。除了为短期 预报提供指导意义外，还同时能够为施工单位制定一个相对 长期的施工计划提供科学的依据。 （５）通过加深炮孑Ｌ对放炮后掌子面前方一定范围进行探 测，并结合其他方法，互相验证，综合分析。 Ｉ／ （６）钻孔雷达是具体探测掌子面前方以钻孔为中心，１５ Ｉｌｌ为半径的一定空间范围内的不良地质体，它对进一步判断 前方是否有大的空间储水构造，是一般物探方法不能做到 的。尤其是避免了钻探法无法解决底板及底角等部位的探 图２电磁渡反射示意图 测。孔内雷达主要用于进一步查明表面雷达发现的掌子面 （２）超前地质钻孑Ｌ是对ＴＳＰ２０３预报和地质雷达探测、红 前方的富水构造，判断地下水赋存情况（图４）。 外探测等手段探测到的不良地质体的确认。在物探手段单 一的情况下超前地质钻孑Ｌ应连续搭接进行，超前地质钻孑Ｌ的 位置、孔深、数量、取芯等由地质人员根据物探预报成果并结 合掌子面附近的地质情况综合分析确定。 钻探深度宜控制在３０～５０ ｍ，以减少对掌子面占用时 间；钻孔布置应根据预报不良地质体的产出规模、展布形式 等确定。钻探法的最大优点是探测效果直接，同时在钻进过 程中有大水被揭露时，可事前采取措施后对其原位灌浆封 堵，其效果很好。 （３）在隧道中，围岩每时每刻都在向外部发射红外波段 的电磁波，并形成红外辐射场，场有密度、能量、方向等信息， 岩层在向外部发射红外辐射的同时，必然会把它内部的地质 信息传递出来。干燥无水的地层和含水地层发射强度不同 图４钻孔雷达探测原理示意图 的红外辐射，红外线探水仪通过接收岩体的红外辐射强度， 斗蓬山隧道在现场施工中以地质分析为基础，物探方法 根据围岩红外辐射场强的变化值来确定掌子面前方或洞壁 为手段，多种方法相互印证和补充，以建立系统的岩溶地区 四周是否有隐伏的含水体。其优点是测量快速，基本不占用 高风险长大隧道综合超前预报技术方法为目标，通过现场试 １６８ 四ＪＩ Ｊ建筑第３１卷２期２０１１．０４ ・施互蝴潮鼍撬拳＿ １验、数据分析处理、资料的解泽及开挖对比等手段，并结合国 内外相关的工程经验确定超前地质预报探测体系，超前地质 预报流程，如图５所示。 ～茧 隧蠖 层：Ｎ７５。１Ｊ，Ｉ２。ＳＥ菩 节：Ｎ８０。Ｗ／９０。节：Ｎ３０ 掌了 表【ｆＩ『 丛、红外探洲ｆ３０ｎ ———＿『而＿一 发现可能的 水构造 无异常 个趟前钻孔宙然、丧 ｝ 哒删试 二二二匹 发现可能的禽水构造 图６ 隧道进１：３综合探测应用示意图 增加超 地顷钻探， 时进ｉ ｒ ｉ：ｆＬ宙达 １４试 地幔分析干ｌｊ物探测试丰｝｛ ＾合 ４结论 通过本项研究，斗篷山隧道施工采用综合超前地质预报 技术，提高了对前方不良地质体预报的准确率，取得了如下 主要研究成果。 （１）ＴＳＰ２０３能有效地预报掌子面前方的主要结构面，预 报距离一般在８Ｏ～１ ５０ １１＂１，其中ＴＳＰ２０３能达到１００～２５０ ＩＴＩ， 图５超前地质预报流程图 陆能声纳仅能达到８Ｏ～１００ ＩＴＩ，ＴＳＰ智能化程度较高，一般人 ３．２预报分类 ， 经过培训后较容易掌握； （１）宏观预报：查阅了大量的勘察资料，设计图纸，对工 （２）研究了地质雷达（表面、钻孔）用于超前预报的观测 程区的地质情况进行了较全面的了解，通过对前期资料的分 系统布置，不同不良地质缺陷的雷达图像特征，同相轴与不 析，并结合已挖洞段的预报和开挖实际对比总结，总体上把 良地质体的空间位置关系，获取了电磁波在不同岩性中的传 握不同洞段可能存在的不良地质缺陷； 播规律及响应特征，为岩溶隧道施工超前预报图像解释奠定 （２）中长距离预报：主要采用ＴＳＰ超前预报系统，初步判 了基础； 断掌子面前方１００～２５０ ｍ范围内可能存在的较大异常情况 （３）超前探孔结合孔内雷达技术在预报掌子面前方不良 及岩体的完整状况； 地质体时，远优于其它方法； （３）短期预报：主要采用地质雷达预报，每次预报掌子面 （４）溶岩、溶蚀裂隙或管道、断层等洞段，是地下水富集 前方０～２５ ｉｎ范围内的地质情况，在宏观预报和中长距离预 的主要通道，也是容易发生特大突涌水的主要部位。因此超 报基础上，针对重点部位，加强预报频度和洞内地质素描； 前预报全方位综合预报、相互印证，结合地质分析综合判断 （４）特殊方法预报：当发现较大含水层带或通道时通过 是避免灾害性事故发生的根本保证； 孔内雷达测试查明其形态、规模及发育方向，在掌子面打超 （５）建立适合快速掘进的预报体系，即以地质分析为主 前探孔进行钻孔雷达预报时，所打超前孔深度一般不大于５０ 线，宏观预报、中长距离预报、短期预报、特殊方法预报相结 ｍ．孔径大于５６ ＩＴｌｍ，采 １孔或多孑Ｌ布置，探测半径为１５ ｍ。 合的综合预报体系。 一般情况只作１孑Ｌ探测，如发现较大含水构造，另增加２～３ 孔，以对目标体进行精确定位。 参考文献 此外，为进一步了解隧洞掌子面前方不良地质情况，准 确分析和解释物探测试资料，预报人员中必须配备地质专业 ［１］谭天元，张伟，叶勇．隧道工程超前地质预报中的综合物探技 工程师，做到每天进洞对隧洞开挖洞段进行地质编录和观察 术［Ｊ］．贵州水力发电，２００６，２０（６） 分析，及时收集第一手资料，根据所揭露的地质现象，结合前 ［２］ 曾昭发，刘四新．探地雷达方法原理及应用［Ｍ］．北京：科学 出版社，２００６ 期勘察资料，并通过已挖洞段预报结果与开挖实际情况对比 ［３］ 白哲．地质雷达在隧道超前预报中的应用［Ｄ］．武汉理工大 分析，最后对掌子面前方预报资料进行合理的解释，才能保 学，２０００ 证预报成果的真实性和准确性。 ［４］何刚．ＴＳＰ２０３系统在隧道超前地质预报中的应用研究［Ｄ］．中 如图６所示，隧道进１５１段综合应用了多种超前地质预报 南大学，２００５ 探测手段，取得了较准确的预报成果。 四川Ｉ建筑第３１卷２期２０１ １．０４ １６９
