摘要：隧道超前地质预报工作是探明掌子面前方工程、水文地质情况，避免地质灾害的主要手段。在可溶岩富水隧道施工中，将地质超前预报工作纳入工序管理,对隧道的顺利贯通起到关键性的作用。本文依托蒙华铁路中条山隧道，详细介绍了隧道在穿越可溶岩富水段时所采用的预报手段及开挖验证情况，同时阐述了各种手段的利与弊,对今后隧道超前地质预报工作有可靠的借鉴意义。
关键词：铁路隧道、地质预报、宽张裂隙、岩溶富水
0引言
随着经济的持续发展及科技的不断进步，我国铁路多采用“取直取短”的原则进行选线，隧道占比逐步提高，部分隧道位于可溶岩富水岩层中，可能会遇到溶腔溶洞、高压富水等不良地质。如果不能探明隧道开挖掌子面前方地质，就盲目开挖掘进，势必存在隧道突泥涌水、坍塌等风险。因此，采用多种地质预报手段对围岩工程、水文地质进行综合分析，取长补短，才能预判开挖施工中存在的风险，进而采取相应措施对风险予以规避。
1工程概况
蒙华铁路中条山隧道设计为双洞单线隧道，一般线间距35m，长18.4km，隧道最大埋深约840m，设5座斜井和1座平导，均为无轨运输。隧道通过的地层有太古界、下元古界、震旦系、寒武系、第三系、第四系地层。隧道区岩溶水段涌水量最大，长4300m,岩性主要为灰岩、白云岩；岩溶形态以溶蚀裂隙为主；出水形态以股状涌水为主；最大涌水量69000m³/d（2875m³/h）。
2地质预报原则及手段
中条山隧道地质预报工作按照“物探先行，钻探验证，有掘必探，先探后掘”的原则进行。方法上，结合勘察设计资料拟定预报分级管理标准，划分出重点不良地质区段，将地质素描与物探、钻探结合，对开挖面前方节理裂隙、破碎带、含水性、岩性、围岩等级进行预报，先后采用了地质素描、TSP203、地质雷达、红外探水、加深炮孔、超前钻孔等探测手段。
2.1物探法
物探法分为TSP203、地质雷达探测、红外探测。对于地质条件复杂的隧道应采用综合物探、综合分析，相互验证，提高预报准确性。
2.2钻探法
钻探法分为超前地质钻孔和加深炮眼探测，是利用钻机或风钻在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。它比较直观地探明钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、岩溶及地下水发育情况等。
3中条山隧道可溶岩富水段超前地质预报技术应用
本节以中条山隧道3#斜井ⅢXJK0+105.2-095.7裂隙富水段边界探测为例，对中条山隧道超前地质预报方法及验证结果进行阐述。
3.1施工情况
2016年12月12日，中条山隧道3#斜井掌子面进行加深炮孔作业，右侧边墙起弧位置钻孔深度3.8m时出现股状出水。现场估测单孔出水量120m³/h，由掌子面喷出17m。
图1 现场出水图
3.2地质素描
掌子面揭示围岩为寒武系灰岩，呈灰～灰白色，弱风化，属硬岩，以中厚层为主，岩层近乎平层，节理裂隙较发育，主要发育两条节理，宽张型，硅质结晶充填，延伸性较强，岩体较完整呈块石、碎石状；地下水发育，水质清。
3.3TSP预报情况
（1）工作概况
在本次出水之前，地质预报组进行了TSP相关数据采集，预报里程为ⅢXJK0+121.3～ⅢXJK0+000.0段。仪器接收器位置在ⅢXJK0+178.4，掌子面位置为ⅢXJK0+121.3，设计为24炮，1个接收器接收。
（2）预报结论
如下图通过探测推测：ⅢXJK0+103～ⅢXJK0+068段节理裂隙发育，泊松比增大，推测局部发育裂隙水。
3.4地质雷达情况
掌子面前方30m范围内节理裂隙、溶蚀裂隙较发育，岩体较破碎，层间结合较差，地下水发育，其中ⅢXJK0+104.8～ⅢXJK0+102.8段范围内掌子面中部发育小型溶孔。
图2 现场地质雷达扫描图
3.5富水地层边界判定
（1）判定手段
为了准确判断前方地质及出水边界情况，我部采用长钻杆及超前地质钻孔对出水边界进行了探测。长钻杆和超前地质钻孔布置见图5。
图3长钻杆和超前地质钻孔布置图
（2）超前地质钻孔情况
1#钻孔：0～30m岩屑为灰岩，冲洗液呈灰白色，钻进平稳，其中5.6m及12.9m附近钻进速度突然加快，进尺约5-15cm，且有水流出，水质清，12.9m附近水量增大，水质浑浊，呈黄色，后渐清，终孔稳定水量约30m3/h。
2#钻孔：0～30m岩屑为灰岩，冲洗液呈灰白色，钻进速度慢，钻进平稳，其中2.7m及14m附近钻进速度突然加快，进尺约5-15cm，且有水流出，水质清，14m附近水量增大，水质浑浊，呈黄色，后渐清，终孔稳定水量约70m3/h。
3#钻孔：0～30m岩屑为灰岩，冲洗液呈灰白色，钻进速度慢，钻进平稳，其中5m及7m附近钻进速度突然加快，进尺约5-15cm，且有水流出，水质清，钻至7m附近，水量增大，有顶钻现象，终孔稳定水量约100m3/h。
4#钻孔：0～30岩屑为灰岩，冲洗液呈灰白色，钻进速度慢，钻进平稳，其中4m及14m钻进速度突然加快，进尺约5-15cm，且有水流出，水质清，14m附近水量增大，水质浑浊，呈黄色，后渐清，终孔稳定水量约80m3/h。
图4 超前地质钻孔施工图
通过上述钻孔情况可知：该段围岩岩性以灰岩为主，推测主要发育两条节理，属宽张型，约5-15cm，泥质充填，延伸性好；地下水发育，自ⅢXJK0+105附近发育地下水，水质清，ⅢXJK0+095附近水量增大，水质浑浊，呈浅黄色，后渐清，总出水量约400m3/h。如下图所示：
图5超前地质钻孔和长钻杆施工后掌子面图
（3）边界判定结论
通过超前地质钻孔及长钻杆探测确定掌子面水源为裂隙水，主要发育两条裂隙；第一条裂隙位于掌子面前方约3.8m处；第二条裂隙位于掌子面前方约13.8m处，贯通左右边墙，宽度约为5-15cm。探测裂隙见图8。
图6探测裂隙平面图
3.6开挖验证
（1）第一条裂隙验证
探明出水裂隙边界后，我部于2016年12月31日进行掌子面开挖作业，第一条裂隙首先暴漏出来，里程为ⅢXJK0+106（探测里程为ⅢXJK0+105），基本准确，裂隙最宽处为15cm（探测宽度为5-15cm），基本准确。响炮后掌子面裂隙见图9。
图7裂隙现场图
（2）第二条裂隙验证
2017年1月3日掌子面响炮后，第二条裂隙暴漏出来，里程为ⅢXJK0+096.3（探测里程为ⅢXJK0+095），裂隙最宽处为10cm（探测宽度为5-15cm），基本准确。响炮后掌子面裂隙见图10。
4各种预报方法优缺点分析与探讨
（1）地质雷达
优点：对溶洞、溶腔、断裂等反射信号比较明显。
缺点：仪器密封性差，洞内不易防水，易造成仪器损坏；探测距离太短，一次只能探测5～30m。
（2）TSP
优点：适用范围广，适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。预报距离长，能预报掌子面前方100m范围内的地质状况。
缺点：其预报地质体距离掌子面的位置是根据24个爆破孔与接收器之间的弹性波速度的平均值和地质体反射波到达接收器的时间来确定的，由于弹性波速度的差异而导致地质体预报位置与实际情况有所差异。预报断层、软弱结构面等面状结构反射信号较为明显，对小型溶洞反映不明显。
(3)红外探水
优点：红外探测能准确判断出探测点前方有无水体存在及其方位。对水体的探测有较高的准确率。
缺点：不能对水量、水压等重要参数进行预报。对数据采集点的条件要求高，探测数据受影响程度较高，如：受喷射作业后水泥水化热影响；爆破作业后测线范围内温差明显的影响；测线范围内存在高能热源场（如电动空压机等）的影响。
（4）超前钻探法
优点：可比较直观地告诉我们钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、裂隙度与地下水情况。
缺点：费用高、占用隧道施工时间长，且资料只是一孔之见（几个钻孔也难百分之百地把掌子面前方的管道、岩溶提前揭露预报出来）。
目前隧道施工，必须采用综合手段才能探明高压富水等复杂地质情况，为现场施工提供安全保障。
参考文献
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[4]朱鹏飞.宜万铁路隧道工程施工地质超前预测果评价.现代隧道技术,2005,5
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论文作者:秦召
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：裂隙论文; 地质论文; 隧道论文; 钻孔论文; 超前论文; 水量论文; 岩溶论文; 《基层建设》2019年第2期论文;