贵州省公路工程集团有限公司 贵阳 550000
引言
随着我国中西部发展战略的实施，隧道（洞）及地下工程是交通、水利水电等国家基础设施工程建设的关键控制性工程，涉及公路、铁路、水电、跨流域调水以及矿山资源等诸多工程领域。交通路网向遍布崇山峻岭的西部纵深拓展，强岩溶地区修建隧道及地下工程，遭遇的突水涌泥灾害丰富类型及其不确定动态演化堪称世界级工程难题。据相关统计，我国交通和水电领域隧道建设中80%的重大安全事故由突水涌泥灾害造成，造成的人员伤亡和经济损失在各类地质灾害中居首位。岩溶地区因受其特殊的地质构造影响，往往具有高水压、富水、溶洞及断层的特征。在岩溶地区隧道施工过程中，经常出现无法预料的地质灾害，如突水、突泥、坍塌等.因此，研究岩溶发育规律，进行隧道风险评价和分级，采取必要的预防措施具有重要的现实意义.
在岩溶地区修建隧道时极易发生大规模的突水、突泥等地质灾害，为避免岩溶地区地质灾害的发生，就要提高超前地质预报的预报精度，但是要得到一个好的预报结果并非易事，需要解译人员同时具备丰富的物探知识和地质知识。在物探方面，利用各种原理（地震反射波、电磁波、红外辐射场生产出的物探仪器，现在已经很常见，不同的仪器针对不同的地质情况各有自己的优缺点。在岩溶地区单一的预报方法难以全面准确地预测不良地质情况。本文通过比较现场地质编录，地质雷达、红外探测及超前钻探等隧道超前地质预报方法的各自特点，结合实际工程隧道超前地质预报工作，介绍了上述各自超前地质预报手段在实际工程中的运用，研究了不同方式的预报基本原理和解译理论，并结合工程应用最终形成岩溶地区综合超前地质预报技术。
1工程概况
1.1工程及水文地质概况
隧址区为构造侵蚀、溶蚀中低山区，海拔一般为640～860m，为越岭隧道，相对高差50～200m，通过区地形起伏较大，植被以灌木及杉树为主。隧道起讫里程514.04～917，总长402.96m，为双线隧道，洞身最大埋深约65m。出露地层有第四系全新统坡积粉质黏土，奥陶系下统南津关组、分乡组、红花园组灰岩。岩性较为简单，均为可溶岩。隧道由于受东西向构造带的影响，构造线方向呈现往东偏转，同时在总体构造组合形态上有扭动的迹象，这种构造的特点表现为一系列北东向褶皱和压扭性断裂及与之直交或斜交的张扭性或扭性断裂，在结构形式上组成多字型构造。
工点范围内未见地表水；工点范围内地下水主要为灰岩地层中的基岩裂隙水及岩溶裂隙水，主要赋存于溶隙、溶管中，其运移规律和存储受溶隙和溶管规模及其连通性的影响较大。
1.2主要工程地质问题
隧址区内岩溶类型属于裸露型岩溶地区，岩溶发育强度分级属于岩溶强烈发育。隧道进口段山体坡度较陡，约45°左右，岩石表面溶蚀严重，溶痕、溶蚀沟槽等发育，岩体破碎，分布有危岩、落石，工程地质条件较差。隧道洞身围岩位于岩溶发育的垂直渗流带中，落水洞、漏斗、垂向溶缝（溶蚀裂隙、溶穴）等较发育，据物探资料显示，存在低阻异常，可能通过溶洞等，隧道开挖时，极易发生涌水、突水、突泥、坍塌掉块等现象，工程地质条件较差。
2风险隧道超前地质预报
隧道为单洞双线隧道，具有洞线长、断面大、穿越的地质条件复杂等特点，结合工点地质勘察资料，隧道通过区主要存在以下几个问题：
①局部断层较为发育；
②隧道多处于岩溶强烈发育区，施工时遇到岩溶溶腔及突水、突泥的可能性极大。
③多次穿越含水浅埋沟谷，容易突涌水及坍塌、冒顶；
④隧道掘进施工工期和预报现场工作间存在的矛盾。
由于区域地质条件复杂，对风险隧道，TSP 超前预报基本贯通（包括辅助坑道），对隧道通过的地层分界线、接触带、断层破碎带、物探异常段、突涌水段等地段进行 TSP、红外探水、地质雷达等多种手段，并相互验证；物探超前预报的异常段，地质条件复杂地段进行超前水平钻探或超前炮眼，以保证施工安全。在已勘察出的物探异常带、断层带，由于地表勘察的误差，在这些段落应加大预报频率，以确保隧道施工的安全性。
2.1超前地质预报方法选择
隧道超前地质预报的方法和种类较多，常用的有地质调查法、物探法和超前地质钻探等，每种方法又具有一定的局限性，且每座隧道的地质条件各不相同。一般隧道采用洞内地质编录+TSP+超前水平钻探+红外探水+地质雷达方式，分析掌子面前方可能存在的地质问题，对可能存在突涌水、岩溶空洞等地段进行重点分析，并提出工程措施建议。
对隧道正洞可溶岩段采用地质雷达+TSP+竖向加深炮孔探测+钻探方式，查明基底可能存在岩溶空洞的埋藏深度、范围、走向、填充情况等，分析溶洞对工程的影响程度，并提出工程措施建议。
根据隧道的工程地质、水文地质特征，实施超前地质预报。
2.2超前地质预报的关键技术问题
隧道超前地质预报的关键技术问题就是通过综合超前地质预报手段查明主要地质界线（包括地层岩性、断层构造等）在隧道洞身的实际位置，进一步确定断层（包括影响带）的产状、物质成分、宽度、富水程度、工程性质等，进一步确定岩溶溶腔位置、范围、形态、充填物特征、含水量及水压力大小等；及时预测隧道施工风险，规避隧道岩溶水害、指导隧道安全施工。对关键技术问题的准确预报，是保证隧道优质、高效、安全施工的基础。
3工程应用：隧道里程565溶洞
3.1隧道进口地质编录
隧道施工中由专业地质人员对隧道的工程地质、水文地质特征进行详细的地质编录，对已经开挖段地质状态作详细真实的描述，可作为超前预报的依据，该内容包括岩性、岩石坚硬程度及完整情况、破碎带、节理裂隙发育情况、地下水状态、不良地质现象等作编录；调整确定物探超前地质预报的部位；现场采集沿途、水试样。根据掌子面的地质特征（地层岩性、节理裂隙发育情况、地下水发育情况等），并结合勘察谁地质资料，对掌子面前方的地质情况进行预测，并提出工程措施意见。
对隧道进口里程为565进行编录，有关溶洞如下描述：目前施工里程上台阶至565.6，中台阶至558.4；下台阶右侧至538，2015年11月14日上台阶线路右侧拱脚开挖揭示为溶洞，有少量泥质填充物；可见溶洞宽1～2m，可视深度17m，向大里程延伸可视长度15m，与线路方向夹角约15°，溶洞底有流水，洞壁有滴水。554～564拱顶中线附近揭示一处溶洞，宽1.5m，向上延伸4～8m，无填充。中台阶DIK+558.4左侧边墙揭示溶洞，深2m，向上延伸4m，纵向长1.5m，无填充。
3.2隧道进口地质雷达
本次预报采用主机型号为Sir-3000，天线频率为100M，在掌子面上布置两条测线，对采集的地质数据资料进行分析处理得出如下成果图。
本次探测距离为20m，里程桩号范围为560～580，具体探测结论描述如下：
里程桩号560～569段雷达信号显示，该段范围内整体上围岩完整性较好，在掌子面前方右侧4～8m范围内存在泥质夹层，在565附近存在裂隙及溶洞，左侧2～4m及6～8m范围内存在泥质夹层。
里程桩号569～580段雷达信号显示，该段范围内围岩较上段围岩完整性变差，在571附近存在裂隙及溶洞，围岩较破碎且含有裂隙水。
3.3红外探水
运用红外线进行探水是目前较为先进的一种地下水探测预报方法，能够定性的确定一定深度（20～30m）范围内地层中含水的部位和类型，目前已经广泛运用于地下工程施工中的地下水探测。任何物体都会发射出红外线，形成一个红外场，地质体所形成的红外场场强变化可用红外线探测仪探测。根据围岩红外场强的变化来预报掌子面前方或洞壁四周是否隐状含水体。
在隧道施工中，主要通过探测掘进掌子面岩体场强的变化差异值，和隧道开挖段围岩场强沿纵向的变化规律，来推断前方是否为隐伏含水构造体，有无发生突涌水的可能。建立各测点的场强（y 轴）与测点到掘进掌子面的距离（轴）的函数关系，并绘制出函数图形，根据函数图形特征进行超前探水预报。
本次红外探水采用的仪器型号为HW-305T，探测里程为560～590
掌子面红外探测曲线分析得出：掌子面整体红外场强值变化不大，说明当前掌子面上部岩体含水量较少。
从洞身红外探测曲线分析得出：520 ～560段曲线呈缓慢下降趋势，红外场强值变化不大，说明此段岩体含水量变化不大。
综合分析洞身及掌子面红外探测曲线并结合地质资料推断：掌子面前方30m范围内岩体含水量较少，局部含有裂隙水。建议超前水平钻及加深炮孔进一步查明，施工时加强超前支护及防、排水等措施。
3.4超前水平钻探
超前水平钻探是利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探，根据钻孔资料来推断隧道前方的地质情况。该法可获得工作面前方一定距离的岩芯，也可由钻孔出水情况判断前方有无地下水和前方何处有地下水，从而可以得到开挖面前方的地质情况，该法是施工预报最有效方法之一。
2015年10月13号在里程550水平钻探，钻孔里程为550- 580。
采用三台阶法施工，布置一孔超前水平钻探，如下图
钻孔特征和地质描述：550～580段超前水平钻探揭示，0～9米钻进速度较快，主要为黄泥夹块石；9～12米钻速较快，揭示有溶洞，无水，无充填；11～21米匀速前进，岩粉成白色、灰白色，无水，揭示有个别小溶洞；21～22米钻速较快，揭示有溶洞，洞深7m，有碎渣充填物，无水；22～30米匀速钻进，无水、无溶洞。根据掌子面揭示情况及水平钻探结果综合分析，推断该段岩性为灰岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，建议围岩等级Ⅴ级。
3.5处理方案
根据现场溶洞揭示情况，确定工程处理方案如下：
（1）565.6上台阶拱脚向中线偏2m位置沿溶洞发育方向增加一孔30m超前水平钻。
（2）在隧道洞身范围内，沿溶洞发育方向增加地质雷达预报查明溶洞在洞身范围内发育方向及规模。
（3）采取适当方法查明溶洞流水方向。
（4）中台阶DIK+558.4左侧溶洞采取C20混凝土回填，回填前预埋2根φ200mm打孔波纹管，管口及管身包裹无纺布，引入侧沟，保证排水畅通。预估回填C20混凝土12m³，最终回填数量以四方签认为准。
（5）554～564拱顶中线处溶洞采用回填2m厚C20混凝土，回填1m厚机制砂与水泥拌合料，每方砂掺水泥150kg，并在初期支护外侧每2m设1根φ200mm打孔波纹管，引至侧沟，保证排水系统畅通。预估回填C20混凝土33m³，最终回填数量以四方签认为准。
（6）结合现场揭示情况及超前地质预报成果进一步分析岩溶水的补径排条件确定最大水流量，为溶洞处理措施提供依据。
（7）565.6右侧拱脚位置溶洞探测后确定处理方案。
3.6相关要求
（1）在施工过程中，加强洞内外监控量测，及时分析量测数据，如遇监控数据变化异常及时启动应急预案，并通知参建各方，确定处理方案。
（2）施工过程中，当回填量达到估算量80%时，并预计注浆及回填量会突破估算数量时，要及时书面报告建设指挥部，由建设指挥部组织各单位分析原因，确定下一步处理措施。
（3）施工现场要配足各工序所需机具，满足条件后要及时施作衬砌。
（4）施工中应加强超前地质预报工作，确保施工安全。
（5）锁脚锚管必须紧贴钢架，采用“U”型筋与钢架、锚管满焊，锁脚锚管水平向下倾角控制在15°～30°。
（6）临时横撑钢架与拱墙钢架采用连接板焊接牢固。
4 结论
隧道超前地质预报技术主要包括常规地质方法、工程物探方法等，在预报时一定要结合隧道掌子面前方的具体情况进行合理设计，进一步拓宽隧道超前地质预报概念的含义。特别是在复杂地质条件隧道施工过程中，在加强工程地质分析的同时，应结合工程物探对隧道不良地质进行超前地质探测预报研究，为工程设计及施工提供工程地质资料。避免工程地质灾害，从而保证施工安全。
在岩溶地区隧道综合超前预报的几点总结：
（1）查阅已有的勘察资料，设计图纸，对工程区的地质情况进行较全面的了解，通过对前期资料的分析，并结合已挖洞段的预报和开挖实际对比总结，总体上把握不同洞段可能存在的不良地质缺陷。
（2）利用物探法结合地质调查与地质素描，确定隧道可溶岩发育的大致里程，再通过地质雷达对掌子面前方30 m 范围岩溶及地下水发育的位置、规模及性质作较为详细的预报，对可能有岩溶、突泥涌水的地段，特别是可溶岩与非可溶岩的接触带进行水平钻孔验证。
（3）在岩溶段隧道施工时，采用长短结合的超前钻孔，可以更为直接可靠地了解掌子面前方岩溶发育情况。
（4）通过对隧道进口565溶洞成功预报，在岩溶地区实施综合超前地质预报技术，采用各种预报方法相互补充、相互印证，能够对隧道施工中掌子面前方的溶洞做出准确预报。
（5）每一种超前预报方法都有其适用条件和优缺点，针对要重点预报的不良地质情况，应采取合理的搭配方案，才能取得最好的预报效果，根据隧道工程线路长度、地质条件等实际情况，坚持超前地质预报“三结合”原则，即“地质与物探、钻探结合，洞内外结合，长短及不同物探方法结合”，在对隧道风险分级的基础上，采用相对应的预报方案。
参考文献：
[1]张庆松，李术才，韩宏伟，等.岩溶隧道施工风险评价与突水灾害防治技术研究[J].山东大学学报（工学版），2009，03：106-110.
[2]许振浩，李术才，李利平，等.基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估[J].岩土力学，2011，06：1757-1766.
[3]许振浩，李术才，张庆松，等.TSP超前地质预报地震波反射特性研究[J].地下空间与工程学报，2008，04：640-644+716.
[4]罗利锐，刘志刚，姚海波，等.超前地质预报在棋盘石岩溶隧道中的应用[J].铁道工程学报，2009，11：10-12+22.
[5]李天斌，孟陆波，朱劲，等.隧道超前地质预报综合分析方法[J].岩石力学与工程学报，2009，12：2429-2436.
[6]舒森，王树栋.隧道综合超前地质预报方法及应用[J].铁道勘察，2010，04：80-83.
[7]曹哲明.超前地质预报在隧道施工中的应用[J].铁道勘察，2007，03：57-59.
论文作者:邹国助
论文发表刊物:《基层建设》2016年5期
论文发表时间:2016/6/29
标签：地质论文; 隧道论文; 超前论文; 岩溶论文; 溶洞论文; 物探论文; 里程论文; 《基层建设》2016年5期论文;