综合地质预报在岩溶隧道施工中的应用

2012-08-22张九俊

科学之友 2012年18期

张九俊

（中铁三局集团桥隧工程分公司，河北邯郸 056036）

在我国西南地区的崇山峻岭深处，孕育着大量的岩溶、暗河，地质学上称之为喀斯特地貌。随着我国西部大开发经济政策的调控，一批新建铁路、公路等交通动脉穿越于喀斯特地貌山脉，而大山深处的岩溶、暗河内充填的大量淤泥、砂石以及湍急的流水给隧道施工带来极大的安全风险。如何对隧道前方不良地质作出准确预报，提前采取措施以降低安全风险，是我国西部山岭隧道施工风险管理的一个重点。

在黔桂铁路银洞坡隧道施工中采取的综合超前地质预报取得了很好的效果，成功地预报和化解了几处风险极高的岩溶风险。现对综合超前地质预报在银洞坡隧道中的应用进行总结，为类似隧道工程提供参考。

1 工程概况

银洞坡隧道位于贵州省都匀市与贵定县境内，全长8 516 m，是黔桂铁路最长的隧道。银洞坡隧道下穿斗蓬山脉，紧邻都匀市著名景区四方滩，隧道穿越范围内岩溶、暗河发育，是典型的喀斯特地貌。隧道单线单洞，平行导坑辅助施工。在施工过程中，针对复杂的高风险地质情况，主要采取TGP12远距离超前地质预报为主导，红外线探水、超前地质探孔核实及卸水减压相结合的方法，综合分析治理，顺利通过了四处较大岩溶暗河和一处F4招摆断层。

2 综合超前地质预报采用的方法

2.1 TGP12长距离超前地质预报

2.1.1 检测原理

TGP（Tunnel GeologyPrediction的英文缩写）法是利用地震波反射回波方法测量的原理。地震波震源采用小药量炸药激发产生，炸药设置在隧道边墙的风钻孔中，通常20个炮孔布置成一条直线。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右壁各布置一个。地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如，断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震信号反射回来，另一部分信号透射进入前方介质继续传播。反射的地震波信号被灵敏度高的地震检波器接收。反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比。因此，通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。在一定间隔距离内连续采用上述方法，结合施工地质调查，可以得到隧道围岩的地质力学参数，如弹性模量、剪切模量和泊松比参数等。现场工程技术人员结合相关的地质资料可以准确地预知前方及周围地质变化状况。

2.1.2 检测仪器简介

TGP12隧道地质超前预报系统是北京市水电物探研究所专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制开发的技术成果，已经经过国内著名隧道专家组评审，鉴定结果为具有国际先进技术水平。

TGP12隧道地质超前预报系统有效探测距离为200 m，由仪器主机、配件和处理软件三部分组成，如图1所示。

2.1.3 探测方法

①采用黄油耦合，定向安置孔中三分量检波器；②记录检波器孔、距离检波器最近的炮孔和隧道掌子面的线路里程桩号，以及各炮孔间的距离，将以上数据填写在《TGP现场数据记录表》中；③爆破孔药量控制在50～70 g，采用计时线炸断的触发方式，在孔中灌满水的条件下激发，按序依次起爆和进行数据采集。工作中对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进行地质描述，以利于资料解释。如图2-图5所示。

图1 TGP12隧道地质超前预报仪器图

2.2 红外线探水

2.2.1 探测原理

任何物体都会发射红外线，形成一个红外场。将一个稳定的质体作为探测对象的场源时，由该物体所形成的红外场的强度与场源本身的场强相一致。如果地质体中含地下水，那么地下水场源产生的红外场会对地质体场源所产生红外场产生影响，使其场强发生变化。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。

2.2.2 探测仪器及方法

图2 TGP12探测前方地质示意图

图3 TGP12地震波反射立体示意图

图4 TGP12地震波反射平面示意图

图5 前方地质分析示意图

银洞坡隧道施工采用HY-303红外探测仪，有效探测距离30 m，探测中对隧道洞壁按拱顶、左右拱线、左右边墙、隧底6条测线按5 m一个断面进行探测，根据收集到的红外场强度值绘制折线图，通过折线变化分析，推断洞壁四周存在岩溶水、裂隙水的可能性；同时对掌子面分9个矩阵板块，通过收集到的不同红外场强度值，推断掌子面前方存在岩溶水、裂隙水的可能，对异常区域重点钻孔探测，揭示前方准确地质情况。

2.2.3 超前地质探孔

超前地质探孔是利用地质钻机对前方异常地段钻探取芯，直观地揭示前方地层地质条件，并对前方岩溶、暗河钻孔联通，卸压减载，降低和分解风险。超前地质钻探有效范围为30～50 m，施工时，一般采用30 m.

3 应用实例

3.1 DK476+960淤泥溶腔段

3.1.1 TGP12长距离超前地质预报

在银洞坡开挖掌子面里程至DK476+800的一次地质预报时，预报显示DK476+950～DK476+975段线路左侧异常明显，之后对该区域加大探测密度，在开挖掌子面里程至DK476+900时又进行了一次验证探测，两次探测分析示意如图6所示。

图6 里程DK476+900两次探测分析示意图

在第一次长距离地质预报显示前方150 m处地质异常后，地质预报工作和隧道开挖进入预警状态，在隧道开挖掌子面距异常区域50 m处时，再次进行TGP12地质预报探测验证，经验证确认前方区域地质异常。

3.1.2 红外线探水

隧道施工最大的风险是突泥突水。因此，要重点对隧道前方及周边30 m范围内含泥水构造探测。在TGP12预报验证前方地质异常明显后，立即加强前方红外线探水监控，每掘进5 m进行一次红外探测。在开挖掌子面DK476+935处红外探测显示隧道前方左侧拱线处异常较明显，红外探测数据折线如图7所示。

图7 掌子面DK476+935红外探测数据折线图

从红外探测数据折线图显示，拱顶、左拱线在隧道前方异常非常明显，前方泥水构造突出，需进行更直观的探测，采用Φ105mm地质钻机取芯探测。

采用地质钻机取芯钻探后，再钻进25 m，即DK476+960处钻头进入软泥层中，之后钻进12 m后即DK476+972处钻头再次进入完整岩层，证明在隧道左侧DK476+960～DK476+972段为溶腔，溶腔内充填淤泥。经一系列综合探测预报后，对前方地质有了较为直观的判断，随后采用扩大钻孔释放泥浆和压力，在到达溶腔前已排除突泥隐患，保证了开挖的安全，隧道开挖后揭示溶腔如图8所示。