巖溶隧道超前地質預報綜合預報技術

徐建平

（中交一公局集團華中工程有限公司，湖北 武漢）

前言

在我國交通事業迅速發展過程中，其中隧道工程施工期間遇到地質情況愈發復雜，高瓦斯巖溶隧道頻繁出現，巖溶、煤層瓦斯、破碎帶疊加出現，為隧道前期處理及后期運營埋下了諸多風險因子。利用超前地質預先報告技術，有望提前發現巖溶隧道地質風險并提前制定處理方案，降低地質災害發生率。單一預報技術并無法滿足巖溶隧道超前地質預先報告要求。因此，分析巖溶隧道超前地質預報綜合預先報告技術具有非常突出的現實意義。

1 巖溶隧道基本情況

一隧道為高瓦斯富水巖溶隧道，全長4 126 m，中心里程為D3K358+036。隧道穿越地層為二疊系燧石灰巖、三疊系灰巖、碳酸鹽巖夾頁巖等，圍巖為IV、V 級，存在煤層瓦斯、巖溶等不佳地質（見表1）。

表1 巖溶隧道不良地質

隧道1 850 m 位于地下水水平循環帶，平常涌水量為15 282.3 m3/d，雨期最大涌水量為32 362.3 m3/d，巖溶及巖溶水強現象發展。隧道底部填充型深巖溶干擾范圍內圍巖應力分布不均，加之雨季巖溶水水量增加，易造成巖溶段隧道初期支護及襯砌開裂、掉塊、突起[1]。

2 巖溶隧道超前地質預報綜合預先報告技術方案

2.1 總體方案

單一方法并無法詳細反映高瓦斯富水巖溶隧道復雜地質條件，案述隧道超前地質預報綜合預報技術由地質法、物探法、超前鉆探法組成。

2.2 地質法預先報告

地質法是根據開挖地質隱蔽性，以隧道區地質條件為基礎，依據隧道地質素描資料、地質勘察資料、地面補充調查資料，對比隧道區地層巖性和層序，進行災害前兆分析，推測掌子面前方揭露地質情況[2]。

2.3 物探法預先報告

物探法主要是根據巖層間具有物理性質，借助彈性波反射法（地震波反射法、HSP 聲波反射法）或電磁波反射法、紅外探測法、高分辨直流電法，進行隧道地質體構造形態的探測。案述巖溶隧道主要用物探方法為地震波反射法、地質雷達[3]。

2.3.1 地震波反射法

地震波反射法主要借助TSP203 超前預報系統，以溶洞、斷層破碎帶界面為地震波反射界面，根據地震波傳播情況，判斷不良地質規模、位置。地震波傳播速度為

式中，V 為地震波傳播速度，m/s；X 為測試孔到傳感器的距離，m；T 為直達波的傳播時間，s。根據V，結合已知反射波傳播時間，可以推導反射波、接收傳感器的距離，具體如下

式中，T′為反射波傳播時間，s；X1為測試孔、反射界面之間的距離，m；X2為傳感器、反射界面之間的距離，m。因不良地質界面與傳感器對稱，由傳感器和像點的空間坐標可以求解空間方程，進而獲得空間中垂面，即不良地質界面。

2.3.2 地質雷達法

地質雷達主要是根據隧道超前地質預報要求，標準化布置探測線路，促使地質體在探測線路布置方向處于電磁波輻射范圍內。

圖1 中，1 為上臺階；2 為探測線路L2；3 為探測線路L1；4 為下臺階。由圖1 可知，探測線路L1 位于巖溶隧道掌子面下部，探測線路L2 位于巖溶隧道掌子面中部，探測線路L1 與探測線路L2 平行，有利于探測線路數據對比分析。

圖1 地質雷達探測線路布置

2.4 超前鉆探法預先報告

超前鉆探法主要是利用鉆機在隧道掌子面鉆探，可以為富水巖溶、煤層瓦斯帶探測提供支持。高瓦斯巖溶隧道超前鉆探布置見圖2。

圖2 高瓦斯巖溶隧道超前鉆探布置

圖2 中，1 為局扇；2 為超前鉆探位置；3 為射流風機。根據圖1，由專職瓦斯檢測員對隧道內含瓦斯煤層進行超前鉆探，可提前發現瓦斯風險，啟動射流風機，避免瓦斯氣體積聚。

3 巖溶隧道超前地質預報綜合預先報告技術要點

3.1 地震波反射法操作要點

在基于地震波反射法的TSP203 超前預報系統操作前，依據巖層結構主導方位，選擇右側壁剖面布置18 個孔深為1.5 m、直徑38 mm 微型爆破孔，孔沿徑向向下傾斜15°±5°，相鄰爆破孔之間距離為1.5 m，每孔裝藥25 g±5 g，連接60 m 引爆電線和爆破雷管。同時在距離掌子面55 m、距離第一個炮眼20 m 位置布置接收器，接收傳感器沿軸徑向布置（見圖3）。

圖3 TSP203 超前預報系統鉆孔布置

圖3 中，1 為爆破測試孔；2 為孔斜，5°～10°；3 為爆破測試孔深，1.5 m；4 為掌子面；5 為接收器孔；6 為接收器孔深，2.0 m。在確認布置無誤后，利用專門清潔桿清洗套管內壁，連接計算機與存儲單元，開啟計算機輸入幾何參數，在距離傳感器最近炮孔內裝填炸藥并封堵炮眼，放炮采集數據，觀察5 000 mV 以內的最大信號與波形[4]。

3.2 地質雷達應用要點

在巖溶隧道掌子面地質雷達探測前，應翻閱勘察報告相關資料，分析測區地質基本情況，并清理探測面，確保雷達天線、探測面巖體穩固耦合。若掌子面凹凸不平且處理難度較大，可根據天線移動方向，平行布置2 根PVC 管道，在PVC 管道內布置天線。確保天線平穩移動情況下，清理底板虛渣、積水。

在巖溶隧道掌子面地質雷達探測時，應利用連續反射剖面測量法，控制發射天線、接收天線間距一定，保證天線與掌子面最大間距小于5 cm，并理順電纜，控制電纜與天線距離一定，避免電纜通電產生磁場干擾地質雷達數據采集質量。正式采集時，可選擇鍵盤觸發或時間觸發方式，以100 MHz 雷達天線為主，每秒掃描128 次以上，每間隔5 m 進行一次測量輪校準。

3.3 超前水平鉆探操作要點

根據巖溶隧道實際情況，選擇以111 kW 內燃機為動力的RPD-150C 多功能鉆機。在鉆孔前，檢查鉆桿、水泵、管路、材料、油料與排水泵無誤，平整隧道掌子面周邊場地。在平整場地將鉆機布置到隧道洞內，連接水管、水泵與電線。同時根據巖溶隧道隱伏含水構造位置、規模，以中心梅花形放射布置10 個超前地質預報鉆孔（見圖4），鉆孔延伸到隧道地下洞室掌子面周邊，孔深55 mm±10 mm。

圖4 超前水平鉆探孔

根據圖4，安裝內邊塊、57 mm 鉆桿，開啟水泵，送水79 L/min～80 L/min。設置旋轉壓力4.5 MPa±0.5 MPa，水擊壓力8.5 MPa±0.5 MPa，在旋轉扭矩小于10 MPa。鉆孔至設計深度，撤離鉆桿，記錄數據。

4 巖溶隧道超前地質預報綜合預先報告結果

4.1 巖溶隧道地質資料分析結果

巖溶隧道物質場單元如表2 所示。

表2 巖溶隧道物質場單元（局部）

由表2 可知，案述巖溶隧道控制隱伏構造主要因素為地層巖性、地下水。地質構造對隱伏含水層規模、位置、補給特征、形狀均具有較大影響。由此，可以進行隧道圍巖分類，并在預測單元上標注[5]。

4.2 地震波反射法探測結果

根據隧道圍巖物探縱波波速，可知區域P 波波速為2 368 m/s，而正常圍巖P 波波速為3 470 m/s，SH波、SV 波在區域無反映。表明P 波波速突出下降區域為隱伏含水溶腔構造，根據P 波分布，在預測單元上標注隧道圍巖探測結果，見表3。

表3 地震波反射法探測結果（局部）

根據表3，巖溶隧道地下水隱伏含水構造的形成必需條件是具備可溶性巖石、溶蝕性地下水、地質構造現象發展，預測單元為63、63、17、37 幾個小單元，即在上述小單元出現隱伏含水構造的風險較大?？赏茰y探測范圍內存在5 個反射異常區，為巖溶現象發展區及其延伸區。

4.3 巖溶隧道鉆探結果

根據巖溶隧道鉆探結果可知，隧道掌子面出露巖體為三疊系泥灰巖，層狀碎裂結構，弱風化巖體與強風化巖體交雜，巖體破碎程度較大。同時結構面譜面加載0.4 cm～2.5 cm 黃色濕潤次生煤層，地下水活動痕跡明顯。在掌子面下方距離底板1.45 m 位置現象發展節理密集帶，帶內節理間距8 cm～12 cm 左右，巖體較為破碎。隧道掌子面優勢現象發展結構面產狀為EW/S∠13°，薄層狀分布，間距為18 cm～28 cm，充填煤層。

結束語

綜上所述，巖溶隧道因巖溶現象發展多樣性，需以隧道區域內地質條件為依據進行個性化預報技術的選擇。在高瓦斯富水巖溶隧道超前地質預先報告時，應貫徹地質法與物探法相結合、洞外調查補充與洞內探測相結合、多種物探法相互印證的原則，以地質法為基礎，結合巖溶現象變化更新特征、地質補充信息、處理規劃剖面圖，初步劃定隧道巖溶地質預先報告單元。進而選擇恰當的物探方式，與鉆探相配合，制定并實施超前地質綜合預先報告方案，為巖溶類型、規模以及瓦斯層分布的精準預報提供依據。