隧道施工中溶洞超前地质预报技术探讨

姜洪亮，张红波，

(1.广西交通科学研究院，广西南宁530007;

2.广西道路结构与材料重点实验室培育基地，广西南宁530007)

隧道设计和施工前的工程地质勘察，虽然在一定程度上对隧道的地质状况进行了预测、预报，但由于隧道地质条件的复杂、勘察经费少，特别是建设周期越来越短，勘察周期短，因此很多时候难以对隧道所处工程地质、水文地质条件特别是不良地质体的分布、性质及致灾可能性完全查清。因此加强隧道施工地质超前预报工作是非常必要的。

1 超前地质预报方法

超前地质预报方法有很多种，按照探测原理可分为直接法、间接法及其它方法。直接法有地质法和钻孔探测法。间接法亦称物探法，主要有隧道地震超前预报系统(TSP)、水平声波剖面(HSP)法、陆地声纳法、地质雷达(GPR)法和红外探水法等。其中以地质法为基础，以超前钻孔法、超前导坑法、地球物理探测方法等为辅助手段的隧道综合地质超前预报方法，也已得到隧道工程施工人员的认同。

地质法是隧道地质超前预报采用的一种基本方法。在隧道施工阶段根据隧道施工期掌子面地质条件变化，结合地表地质调查与地质勘察结果，采用相关分析对隧道的地质情况进行超前预报。地质法隧道施工期地质超前预报是任何其它隧道施工期地质超前预报方法的基础。

超前导坑法是根据超前施工的平行隧道或导坑所遇地质情况，推测掌子面前方的地质情况，它是隧道施工期地质预报的一种重要方法，特别是连拱式隧道和两平行隧道间距较小时预报效果更好。

超前水平钻孔是隧道施工期地质超前预报方法中最直接的方法。通过对钻进速度测试和钻孔岩芯的观察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石(体)的强度指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及地下水状况等诸多方面的资料。采用这种方法不仅可以确定隧道掌子面前方地质情况，而且可以起到探水的作用。

地球物理探测方法有很多种，包括声波CT层析成像法、波反射法、高密度电法、瞬变电磁法、红外线探水等。目前在隧道超前地质预报中使用较普遍的是波反射法，主要利用声波、超声波、地震波及电磁波在地层中传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号，判释隧道掌子面前方反射界面(断层、软弱夹层等)距隧道掌子面的距离来进行隧道施工期地质超前预报。

近10多年来，声波反射法(HSP)、地震波反射法(包括负视速度法和TSP)、电磁波反射法(雷达)已广泛应用于隧道施工期地质超前预报之中。

应该指出的是，声波反射法隧道地质超前预报实际上是对隧道施工掌子面前方不良地质体分布界面位置的预报，不良地质体性质的预报必须结合隧道施工地质工作成果和预报人员丰富的地质工作经验来实现。

2 工程实例

2.1 四方山隧道地质概况

钦崇高速公路四方山隧道围岩穿越地层为三叠系下统罗楼群(T11)灰岩、砂岩，二叠系上统茅口组)和上统合山组与大隆组并层)灰岩。根据地质勘察了解，四方山隧道位于复式背斜之中，岩体倾角20°～30°，属单斜构造。

2.2 四方山隧道超前地质预报方法

四方山隧道左洞ZK77+015附近围岩为灰岩，断裂破碎带发育，地下水较丰富，前方为三叠系下统罗楼群(T11)灰岩与砂岩岩层交界处，拟采用地质分析法推理和TGP隧道地震超前预报系统相结合的方法进行超前地质预报。

2.2.1 地质分析法

本隧道施工开挖至ZK77+015时，根据地质勘察资料及掌子面跟踪调查分析，掌子面前方围岩为灰岩与砂岩岩层交界处，预报段前段围岩为质纯厚层灰岩，质纯厚层状灰岩岩溶易发育，由于此区段位于岩层交界处，沿层面的构造裂隙发育，为地下水的运动提供了空间，地下水不断沿着岩石裂隙运移，对可溶岩进行化学溶蚀，形成空洞。通过地质分析我们可以得出预报区段为岩溶易发育地段。

2.2.2TGP隧道地震超前预报系统

针对本段采用地震波反射法对前方地质状况的预报，采用TGP206型超前预报仪器对隧道进行了探测。

TGP隧道地震超前预报系统的震源点用少量炸药激发产生，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号被高灵敏度的地震传感器接收。数据通过TGPwin软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质、位置及规模。

本系统采用深度偏移使反射波基本能够正确归位，绕射波自动收敛，干涉带自动分解，从而得到与掌子面前方地质构造原像极为接近的偏移图像。以深度偏移分析为主，结合速度评估与反射极性图、反射数据表可以得出比较准确的超前地质预报。

2.2.3 溶洞的地震波反射特性

隧道施工过程中遇到的溶洞可以分为充填型溶洞和无充填型溶洞，其中充填型溶洞可分为泥夹石充填型溶洞、软弱夹泥充填型溶洞和地下水充填型溶洞。它们有各自的地震波反射特点。

泥夹块石充填型溶洞深度偏移图中正负反射层数量因充填物内块石粒径和含量的差异而不同。当块石粒径和含量大时，正负反射层较多而杂乱，以负反射为主，单个反射条带较窄、延伸性较差。

软弱夹泥充填型溶洞地震波纵波反射强，如果富水性强，横波反射也强。反射极性以强的负反射开始，以强的正反射结束，深度偏移图反射带内正负反射层少、正负相间、以负反射为主，单个反射条带宽、延伸性好。

地下水充填型溶洞纵横波反射都较强，但横波反射明显较纵波反射强。

无充填型溶洞的探测难度较大。当溶洞边界较平滑、边界法向与隧道轴线小角度相交时，深度偏移以强的负反射开始，以强的正反射结束，反射带内正负反射层少、正负相间、以负反射为主。若溶洞边界有一定的横向延展性，但不够平滑且边界法向与隧道轴线大角度相交，或溶洞边界法向垂直于隧道轴线，则纵横波反射较弱，深度偏移不明显，反射层短小，纵横波速下降不明显，不易引起注意。

2.3 预报结论及现场验证

本工程TGP206预报结果见速度评估与反射极性图及深度偏移图见图1～图4。

结合地质状况对探测成果的分析，可以将本工程项目掌子面前方围岩分为三个区段:

图1 速度评估及反射极性图

图2 P波型偏移图

图3 SH波型偏移图

图4 SV波型偏移图

(1)K77+015～K77+038段为泥夹石充填型溶洞。从偏移图可以看出反射带内正负反射层层较多而杂乱，以负反射为主，且单个反射条带窄、延伸性较差，推测此区段为泥夹石充填型溶洞，且块石含量较多，粒径较大。

(2)K77+038～K77+088段为软弱夹泥充填型溶洞。此段纵横波反射很强。偏移图以纵波强烈的负反射开始，以强烈的正反射结束，反射带内正负反射层少、正负相间、以负反射为主，单个反射条带宽、延伸性好。推测推测此区段为软弱夹泥充填型溶洞，充填物富水。

(3)K77+088～K77+165段进入砂岩层。此段纵波反射很强。横波反射较弱，深度偏移以强烈的正反射开始，推断此段进入砂岩岩层，岩层交界附件位置含水量较大，后段含水量较少。

施工期揭露上述围岩分段与预测基本一致，K77+015～036段为一处泥夹石充填型溶洞，充填物以粘土与块石为主，块石含量较多，且粒径较大(见图5)，K77+036～090段为软弱夹泥充填型溶洞，充填物为黏土，且黏土含水量较大(见图6)。

图5 K77+025掌子面围岩

图6 K77+065掌子面围岩

3 结束语

(1)运用超前地质预报技术来指导隧道施工是很必要的，它对隧道施工有指导性的作用，确保了施工的安全进行。隧道施工应把超前地质预报工作当作一个重要环节纳入施工工序，同时结合隧道的实际地质条件，采取适当的地质预报方法。

(2)目前超前地质预报还存在着一些有待解决的问题有:

探测与施工难以并行。TGP超前预报系统，为了避免干扰，需要停止施工作业，才能取得较好的探测结果，而使施工不能得以进行，这将影响施工单位的施工进度与效益。

针对隧道探测环境较差的条件，如何排除干扰、提高信噪比，如何提高探测分辨率有待于进一步试验研究。

围岩揭露范围小，难以观其全貌，无法探测出溶洞的周边位置，溶洞体积的大小。

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