摘要：由于叙毕铁路沿线隧道多穿过岩溶发育区，在岩溶隧道施工过程中，易发生突水、突泥和塌方等安全事故，造成人员伤亡、财产损失和隧址区环境破坏等情况，依据不同超前地质预报手段的适用范围和优缺点，作者提出了建立以地质调查法为基础，以超前钻探法为主导，结合多种物探手段的综合超前地质预报体系和预报方法，该预报体系和方法在中柱山隧道等工程中得到了成功应用，并实现了较为理想的岩溶预报效果。
关键词：岩溶隧道；综合超前地质预报体系；地质调查法；TSP203；地质雷达法
1 引言
岩溶问题一直是国内外隧道施工中的重大难题。岩溶对隧道施工的进度和费用控制均会构成不良影响。溶洞的存在会造成隧道围岩应力不均匀分布，而且这种不均匀分布通常没有什么规律可循，可能会引起隧道的支护结构发生开裂，乃至塌方。由于岩溶常伴随岩溶水的发育，因此一旦发生塌方可能会伴随突水、突泥危害的发生，造成隧道周围位移扩大，地表开裂下沉，诱发山体滑坡，造成重大财产损失和人员伤亡。近年来，在西南地区修建的多条复杂岩溶条件下的铁路隧道发生了施工安全事故，如宜万铁路马鹿箐隧道，发生突水、突泥总量约18万方，造成10人死亡，1人失踪；野三关隧道发生突水15万方，突泥5.4万方，造成2人死亡，7人失踪等等。
新建叙永至毕节铁路（川滇段）位于川滇黔三省交界的边远山区，沿线山峦起伏、坡陡谷深、沟壑纵横，石灰岩分布较广，岩溶地貌突出，多洼地、溶洞、伏流。铁路沿线多条隧道穿越灰岩、泥质灰岩地层（含石膏及盐类矿物），隧道部分区段岩溶强烈发育。以姜家沟隧道为例，前期勘察阶段钻探揭示，D1K277+660至D1K277+880段，溶洞呈串珠状发育，最大洞径为约25.7m的全充填溶洞，且可能汇集大量岩溶裂隙水或岩溶管道水。因此对岩溶隧道不良地质体发育情况的准确预报，对于叙毕铁路的施工建设就显得尤为重要。
2 综合预报体系与预报方法
由于岩溶的复杂性、发育的不规律性，采用单一预报手段准确预报岩溶是很困难的。在叙毕铁路岩溶隧道的岩溶预报中，采取了以地质调查法为基础，以超前钻探法为主导，结合包括TSP203地震波反射法、瞬变电磁法、地质雷达法在内的多种物探手段进行了综合超前地质预报，实现了较为理想的岩溶预报效果。具体实施步骤为：第一步，分析隧址区岩溶发育规律，为超前地质预报工作提供指导；第二步，根据隧道内地质素描结果，验证并调整地质复杂程度分级和超前地质预报方案；第三步，根据岩溶发育条件，采用TSP203地震波反射法进行100米以上长距离探测，以探明断层等结构面和规模较大的岩溶形态；采用瞬变电磁法进行中长距离探测，定性探测岩溶水；采用地质雷达进行30米以内短距离探测，查明岩溶位置、形态和规模；第四步，根据隧道内地质素描结果、地质复杂程度分级、物探异常区段进行超前地质钻探预报及验证，对富水岩溶发育地段，超前地质钻探连续重叠进行，在超前钻探揭示岩溶后，适当加密钻孔，必要时采用地质雷达及其它物探方法进行短距离精密探测，配合超前钻探查清岩溶发育规模及特征。各预报手段具体实施方案如下。
图1 综合预报体系实施步骤流程框图
在叙毕铁路岩溶隧道综合超前地质预报体系中，地质调查法采取了隧道地表补充地质调查和隧道内地质素描两种手段，通过隧道地表补充地质调查发现地表岩溶发育位置、规模及分布规律，然后开展隧道内地质素描，描述出岩溶规模、形态、位置所属地层和构造部位，充填物成分、状态，以及岩溶展布的空间关系，并进行出水点和岩溶的关系分析，取得溶洞、岩溶淤泥带发育特殊构造的地质资料，初步进行隧道岩溶的宏观预报。
TSP203地震波反射法采用了瑞士TSP203 PLUS隧道地质超前预报系统，主要用于划分地层界线、查找地质构造、探测岩溶发育区的厚度和范围。现场测试时，选择一侧边墙作为主要主要探测壁，炸药激发在隧道边墙的风钻孔中。在选择主要探测壁时，对于溶洞、暗河等洞穴式岩溶隧道，根据复合式压性断层破碎带走向来选择主要探测壁，对于发育于紧闭“背斜山”两侧的岩溶淤泥带，根据层间滑动断层破碎带的走向来选择主要探测壁，对于垂直于背斜轴向的岩溶淤泥带，根据该方向张性正断层的走向来选择主要探测壁；当地形地质平面图中存在河谷时，根据主要河谷的走向选择主要探测壁。在TSP成果解译时，根据前人经验和作者总结，对溶洞和暗河的判识的原则如下。①2D结果图中横波波速出现下降，纵波波速轻微变化；②深度偏移图中出现较强负反射，且反射面后一段距离内反射面较少；③对于未充填的干溶洞和储运水溶洞，出现两侧岩强度较高和完整性较好的反应；④对反射层浏览中溶洞壁的反射信号强度进行数据比对，横波强度大于纵波。
瞬变电磁法反射法，由中铁西南院采用加拿大Geonics的PROTEM47瞬变电磁仪探测，主要用于探测围岩完整性和岩溶水的发育情况。瞬变电磁法的发射框边长基本保持在65X65米的正方形，发射波形采用双矩形脉冲，脉宽20微秒；采样间隔为0.3微秒；采集时窗为20个，范围为7到200微秒。为了提高岩溶预报的数据质量，增加了叠加次数，每个测点的观测次数均在500次以上。
地质雷达法采用了美国劳雷SIR-3000便携式地质透视仪，主要用于探测浅部地层、岩溶、空洞、不均匀体，为保证在预报距离与分辨率之间的平衡，同时降低隧道内的电磁干扰对测试信号的影响，采用了100Mhz的单体屏蔽天线，当探测对象情况复杂时，配合使用80Mhz的低频组合天线。由于叙毕铁路岩溶隧道岩性多以灰岩为主，溶洞发育不规则，而且其尺寸和地下赋存状态非常复杂，在掌子面布置测线时采取了井字型测线，构成密集的测网，并采取点测法进行超前探测，点距控制在10厘米以内。
超前钻探法采用了超前地质钻探法和加深炮孔法两种方法，在岩溶隧道全隧开展上述两种方法进行探测。超前地质钻探，采用了意大利卡萨C6水平钻机，对于非可溶岩一般地段，超前地质钻探每循环钻1个孔，搭接长度不小于5米，加深炮孔数量为3个；如果地质调查法和物探法预报的结果存在地质异常带，则增加实施超前钻孔1孔进行验证，每次钻探长度不小于30m，在每一循环钻设炮孔时布设的加深炮孔数量增加至5个；在可溶岩地段、可溶岩与非可溶岩接触带，超前地质钻探采取了每循环钻3～5个孔，其中贯通施做超前钻孔1孔，对岩溶水进行探测，若遇富水岩溶发育区，超前钻探直至终孔于隧道开挖轮廓线以外5～8m，并对钻孔设置关水阀门，其中1孔设置测压装置，进行回转取芯，对溶洞内填充的物质成分进行鉴定分析，对于富水岩溶发育区，每一循环布设的加深炮孔数量也增至8个并连续进行探测。
3 工程应用
3.1 中柱山隧道掌子面岩溶探测应用
中柱山隧道全长1715.7米，洞身最大埋深约185米，隧道于线路前进方向左侧设座横洞，与线路交于D1K294+140，隧址区属溶蚀侵蚀中低山沟地貌，地形起伏大，相对高差324m。脊状山，山体高大，坡地陡峭。隧址区范围内出露地层为：上覆第四系全新统坡残积层（Q4di+e1）粉质黏土；下伏地层别为：三叠系下统茅草铺组（T1m）灰岩，泥质灰岩夹泥岩及岩溶角砾岩；三叠系下统飞仙关组（T1f）砂质泥岩、泥质砂岩偶夹灰岩。岩层较陡，产状变化较大，岩层产状为N55°W/12°SE～N55°W/25°SW。隧区地表水主要以沟水为主，地下水类型包括孔隙水、岩溶水、基岩裂隙水。
第一步，分析隧址区岩溶发育规律。隧道地表补充地质调查发现，隧道进口地形陡峭，基岩为三叠系下统茅草铺组灰岩，其下伏三叠系下统飞仙关组泥质砂岩、砂质泥岩，斜坡上发育两组卸荷裂隙和一组张性节理。中柱山横洞内发育小型溶洞和泥质软弱夹层的可能性较大。
第二步，根据隧道内地质素描结果和开挖验证，调整中柱山隧道地质复杂程分级和预报方案如下。
表1 地质复杂程度分级表及预报方案
在实施过程中根据地质条件的变化对地质复杂程度分级和预报方案进行了适当动态调整，将各类手段的超前地质预报结果与现场实际开挖情况进行验证分析，以提高隧道岩溶预报的准确性。
在中柱山横洞，TSP203地震波反射法施做至HDK+260时，据TSP长距离探测分析结果，在HDK0+090～HDK0+080范围内，纵、横波波速均呈现降低（Vp由 3150 m/s降为2 850 m/s，Vs由2050 m/s降为1650 m/s），泊松比增加（ν由0.16增大到0.28），密度有所降低（由2.09 g/cm3降为1.96g/cm3）和弹性模量降低（由17 GPa降为11GPa），因此，推断该里程段范围内可能有溶洞发育，但未发现溶洞内有充水迹象，遂及时通知项目经理部要求在HDK0+115～HDK0+085和HDK0+090～HDK0+060的位置，连续施做两次地质雷达预报，并在里程HDK0+106施做超前水平钻探并采取加深炮孔8孔的预报手段，以探明该里程范围内的溶洞发育情况。
图2 HDK0+260～HDK0+060里程段TSP203深度偏移图
为准确探明HDK0+090～HDK0+080里程范围内的溶洞位置、规模，针对中柱山的岩溶发育特点在里程HDK0+115和HDK0+090掌子面密集布置了6条测线构成测网，图4为HDK0+115～HDK0+085段横向测线3的地质雷达点测图像，图5为HDK0+090～HDK0+060段的纵向测线5地质雷达点测图像，在图5中HDK0+087～+081段隧道中上部和隧道下部中央位置振幅明显增强，岩体反射增强，波形杂乱，出现绕射波，频率降低，结合中柱山隧道岩溶发育规律，推测隧道中上部和隧道下部中央位置发育充泥型溶洞，建议项目经理部在里程HDK106这两个位置附近增加布置了两个超前水平钻探孔。
图4 HDK0+115横向测线3的点测图 图5 HDK0+090纵向测线5的点测图
经中柱山横洞HDK0+106～HDK0+056超前水平钻探作业，结合该段加深炮孔法探测结果，揭示HDK0+106～HDK0+056段岩性为灰岩，弱风化，岩体较破碎，节理裂隙较发育，其中1#和4#孔在HDK0+087～+081段钻进过程中有突进现象，钻进压力突然变小，钻进速度快，冲洗液为黄褐色泥浆水，推断该段有溶洞发育，溶洞内部充泥，岩溶水不发育。
图7 HDK0+087～+081里程段掌子面下部4#孔超前水平钻探结果
后经开挖验证，HDK0+087～+081段主要为弱风化灰岩，岩质坚硬，节理裂隙发育，岩体较破碎，整体呈块（石）碎（石）状镶嵌结构，里程段范围内掌子面中部距隧底4.9米中央位置发育软弱夹泥充填型溶洞，溶洞高0.8米，宽1.2米，掌子面下部距隧底0.5米中央位置发育泥夹石充填型溶洞，溶洞高1米，宽0.5米，综合预报体系预报结论与工程开挖验证信息基本吻合。
3.2 新高坡隧道隧底溶洞探测应用
新高坡隧道全长8100m，洞身最大埋深约445m，隧址区属剥蚀中低山地貌，灰岩地段山体边缘常形成陡崖，泥质砂岩、砂质泥岩地段山体雄厚，测区绝对高层1500～2060m，相对高差300～560m，自然斜坡一般坡度10°～70°。测区范围内出露地层为第四系人工弃土（Q4ml）、全新统洪坡积层（Q4dl+pl）、坡崩积层（Q4dl+col）、坡残积层（Q4di+e1）；下伏地层分别为三叠系下统茅草铺组（T1m）、三叠系下统飞仙关组（T1f）、二叠系上统长兴组（p2c）龙潭组（p2l）、下统茅口组灰岩（p1m）、断层角砾岩（Fbr），测区位于云贵高原北部扬子准地台滇东台褶带。地质构造复杂。断裂、褶曲均较发育。测区地表以沟水、溪水为主。地下水类型为潜水（局部为承压水）。富水性弱—中等。
在新高坡隧道隧底开挖施工过程中，于里程D3K300+187隧底右侧发现了一长1m，宽0.6m，深4m的地下溶洞口如图8，溶洞口内壁有湿润黄泥附着且有冷风吹出，溶洞下部沿隧道线路方向往两侧延伸，为对该溶洞处理方案制定提供依据，作者应项目经理部邀请，参与了对该隧底溶洞地下发育形态的探明。
图8 新高坡隧道D3K300+187隧底线路右侧溶洞口
中铁西南院在D3K300+180～D3K300+190段隧底布设了两条测线，施做瞬变电磁法，结论反映D3K300+180～D3K300+193段隧底下方50m范围内岩体破碎，节理裂隙发育，两条测线范围内未发现地下暗河，23～28米范围内局部可能存在充水裂隙。
因瞬变电磁法探测存在浅部盲区，为详细了解该溶洞的地下发育形态，扩大了地质雷达法的探测范围，在D3K300+177～D3K300+193段沿隧道线路方向布置了多达6条测线，垂直于隧道线路方向则密布了7条测线，并采用线扫和点测两种检测方式对该地下溶洞发育情况进行探测。
经地质雷达法补充探测，分析结果如下，D3K300+186.5～D3K300+189里程段距隧底中线右侧4.0m～7.5m处的岩溶主要分布在距隧底检测岩面2.0m～3.5m之间；D3K300+187～D3K300+189里程段距隧底中线右侧2.0m～3.0m处的岩溶主要分布在距隧底检测岩面5.5m～6.1m之间；D3K300+186.5～D3K300+188里程段距隧底中线右侧2.0m～6.0m处距隧底检测岩面8.2m～9.2m之间发育横向间断性的溶腔或泥巢；D3K300+185～D3K300+180里程段，在隧底中线右侧 7.0m 左右距隧底检测岩面 2.0m～3.5m 有岩溶延伸现象。
综合地质分析，结合瞬变电磁（远区探测）和地质雷达（近区探测）的解释成果，可推测得到该地下溶洞主要分布在D3K300+180～D3K300+189里程段，深度集中在2.0m～3.5m和5.5m～6.1m之间，在D3K300+186.5～D3K300+188隧底下部8.2m～9.2m之间还发现了间断性的溶腔或泥巢，隧底下部50m范围内无地下暗河，23～28米范围内局部可能存在充水裂隙。该综合预报结论为后期岩溶治理提供了重要的参考资料。
图9 沿隧道线路方向第四条测线线扫结果
图10 垂直隧道线路方向第三条测线线扫结果
4 结论
（1）针对叙毕铁路岩溶隧道，建立了以地质调查法为基础，以超前钻探法为主导，结合包括TSP203地震波反射法、瞬变电磁法、地质雷达法在内的多种物探手段相结合的预报体系和预报方法，并在叙毕铁路中柱山隧道等工程中得到了成功应用，取得了较为理想的岩溶预报成果。
（2）采用地质调查法和TSP203地震波反射法对中柱山横洞进行了宏观和长距离地质预报，提前对隧道前方的岩溶发育情况进行了预警，并采用地质雷达法和超前钻探法对具体的岩溶发育里程和位置进行了查明，指导了开挖施工。
（3）积极参与了新高坡隧道D3K300+180～D3K300+189段的隧底岩溶探测，在瞬变电磁法的探测结果基础上，采用地质雷达法查明了隧底下方的岩溶发育形态，为后期隧底岩溶治理提供了重要的参考资料。
（4）在预报实施过程中，总结发现各种预报手段均有其优势和短板，如地质调查调查法成本较低且不受仪器设备的限制，但仅适用宏观和长期超前地质预报；TSP203地震波反射法在岩体完整的灰岩地层中有效预报距离可达150米以上，但对1米以内的地质体不易分辨；地质雷达法对浅部岩溶探测结果较好，分辨率可达0.5米以上，但预报效果受掌子面开挖平整度、周围金属构件干扰和地下水发育情况的限制；瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体较为灵敏，但探测时存在20米以上的盲区，不适用浅部不良地质体的探测；超前钻探法探测结果最为直观准确，但受孔数孔位的限制，不能对整个掌子面前方的围岩情况进行探测，且占据掌子面工作面耗时较长。因此在岩溶隧道超前地质预报工作中，应针对突水突泥、断层破碎带、溶洞溶腔等预报重点，注意扬长避短，采取合理的搭配方案，才能取得最好的预报效果。
参考文献：
[1]孙克国，李术才，张庆松等. TSP在岩溶区山岭隧道预报中的应用研究[J].. 山东大学学报（工学版），2008年2月第38卷，第一期：74-76
[2]舒森，王光权，王亮等，TSP203超前地质预报系统在岩溶地区隧道中的应用[J]. 工程地球物理，2009，6（5）：588-591
[3]周竹生，丰赟. 隧道勘察中的综合物探方法[J]. 地球物理学进展2011（02）
[4]何发亮，李苍松. 隧道施工期地质超前预报技术的发展[J]. 现代隧道技术，2001，38（3）：12—15
[5]周治国，隧道工程超前地质预报技术研究[D]. 同济大学博士学位论文，2004.
[6]覃航，邱恒，杨庭伟. 隧道超前地质预报中的地质雷达图像分析[J]. 勘察科学技术2012年第2期：57-61
[7]李术才，李树忱，张庆松等. 岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26（2）：217-225.
[8]荆学亚，梅建华，曹宁宇. TSP203地质超前预报系统在乌鞘岭隧道施工中的应用[J]. 铁道建筑技术，20049（S1）：60-61
论文作者:徐小文
论文发表刊物:《防护工程》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/20
标签：岩溶论文; 地质论文; 隧道论文; 溶洞论文; 超前论文; 里程论文; 裂隙论文; 《防护工程》2018年第6期论文;