综合超前地质预报在鸭咀岩2号隧道中的应用

智 刚 刘得玺

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

鸭咀岩2号隧道在风险等级评估中属于一般风险隧道，隧道施工很多依靠前期设计勘查资料和施工经验进行判断分析，在地质情况稍复杂情况下，施工技术人员很难准确判断隧道掌子面前方的地质情况，致使在施工过程中可能出现坍塌和突水等现象，给隧道安全施工带来困扰。由于当前勘察技术手段和方法技巧的限制，加上地质体的复杂多变，期望在勘察阶段完全查明隧道岩体的特性，准确地预测隧道施工中可能发生地质灾害的位置、性质和发育规模十分困难。鸭咀岩2号隧道进口段白云质灰岩溶蚀、溶洞中等～极发育，安全开挖进口岩溶发育段是重中之重(见图1)。本文以鸭咀岩2号隧道进口岩溶段为例，讲述隧道开挖所采用综合超前地质预报手段在岩溶探测中的应用及如何根据各种预报手段的预报结果，结合补充勘察和开挖揭示地层信息进行综合分析，得出综合成果报告，从而准确的指导隧道安全施工。

1 工程概况

鸭咀岩2号隧道全长3 150 m，起止里程为DK342+340～DK345+490，隧道进口段隧址区位于灰岩岩溶发育区，溶蚀、溶洞中等～强烈发育，突泥、涌水的风险性较大［1］。

1.1 水文条件

根据隧道通过区出露的地层岩性及地质构造特征，结合含水介质的不同，此处地下水类型主要分为松散堆积层孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水、基岩裂隙水和构造裂隙水。隧道洞身地表处有若干条冲沟，冲沟内为季节性流水，补给条件较好，地下水发育。设计最大单位涌水量 q0=100 m3/(d·m)［1］。

图1 鸭咀岩2号隧道进口

1.2 地层及构造地质

1.2.1 地层岩性

鸭咀岩2号隧道DK342+340～DK342+290段洞身穿过石炭系中上统(C2+3)弱风化白云质灰岩，岩层产状35°∠31°，受构造影响严重，围岩呈块碎状压碎结构，溶蚀裂隙及溶洞极发育，存在涌泥、涌水可能;DK343+290～DK345+490段洞身穿过白垩系上统(K2)弱风化泥质粉砂岩、粉砂岩，岩层产状345°∠49°。

1.2.2 地质构造

鸭咀岩2号隧道共有F1，F2，F3三条断层穿过隧道洞身，本段处于F1断层的断层破碎影响带，受构造影响严重，岩体破碎。

2 超前地质预报技术应用手段

鸭咀岩2号隧道采用的主要预报方法可分为设计阶段勘测资料结合现场的地表调查、TSP地震波预报法、掌子面超前钻探取芯预报、红外探测及掌子面地质编录预测等。

2.1 地质素描

素描的主要内容包括地层岩性、构造发育情况、地下水状态、围岩稳定性及初期支护方法等。地质素描法预报不占用施工时间，设备简单，不干扰施工，出结果快，预报的效果好，而且为整个隧道提供了完整的地质资料［3］。图2，图3是鸭咀岩2号进口端开挖的两张掌子面地质素描图，从地质素描图可以分析出从DK343+090.8～DK343+110段，掌子面围岩由强风化的灰岩逐渐过渡到强～全风化灰岩为主，岩体破碎。

图2 DK343+090.8掌子面照片和素描图

图3 DK343+110掌子面照片和素描图

2.2 TSP地震波探测法

鸭咀岩2号隧道进口TSP炮孔成率高，炮孔距上台阶面20 cm，角度下倾10°左右。现场没有噪声、振动等干扰现象，为分析报告准确性提供了保障。现场TSP接收器位置在DK343+002，掌子面位置为DK343+051.6，实际激发23炮，现场接收数据较为理想，可用于数据处理和解释，探测范围为DK343+051.6～DK343+200。根据TSP的探测结果、图4所示的2D岩土参数曲线图和图5所示的2D成果显示图推测出的分析结果见表1［4］。

图4 岩土参数变化图

图5 2D成果显示图

2.3 超前钻孔

为进一步探明鸭咀岩2号隧道进口DK343+119掌子面前方的地质情况，采用超前水平钻孔，钻机类型为RPD-180型钻机，现场钻孔照片和取芯照片见图6，图7，钻孔总延米64.0 m，钻孔位置及参数如表2，图8所示。

表1 初步探测结果

图6 现场钻孔图

图7 现场取芯图

图8 钻孔布置图

表2 钻孔参数表

通过本次超前钻孔探测，判断前方25 m地质情况如下:

DK343+119～DK343+138.5段围岩为石炭系中上统(C2+3)白云质灰岩，岩溶发育，溶洞、溶腔、风化裂隙发育，充填少量黄泥夹碎石;DK343+138.5～DK343+144段围岩为白云质灰岩，灰白，弱风化，属硬岩，局部强风化，属较软岩;无水。此段岩溶溶洞呈串联状发育。具有代表性的3号钻孔的柱状图如图9所示。

3 综合结论及实际开挖揭示情况

3.1 综合结论

综合各种预报方法的结论分析，推测DK343+090.8～DK343+200段，岩体逐渐由弱～强风化转变为强风化～全风化，硬岩转变为较软岩、软岩;从素描分析出方解石开始逐渐增多，表明此段的围岩在历史时期受到构造运动和溶蚀作用的影响，岩体破碎，岩体裂隙发育;其中DK343+119～DK343+138.5段岩溶呈串联状发育，溶洞、溶腔、风化裂隙发育，溶蚀风化严重;整段地下水不发育，其中在DK343+197处有出水可能。其中 DK343+119～DK343+138.5段岩溶发育情况如图10所示。

建议:DK342+090.8～DK343+200段岩溶发育，岩体破碎，岩质软。在施工过程中应采取短进尺、弱爆破、加强超前支护措施，防止岩体的坍塌，确保隧道施工安全。为进一步探明溶洞的范围，建议严格施工，做加长炮孔探测，以确保施工安全。

图9 DK343+119掌子面ZK-03号钻孔柱状图

图10 DK343+119～DK343+138.5段岩溶发育示意图

3.2 实际开挖揭示情况

DK343+119～DK343+135段隧道已开挖段揭示地层岩性为白云质灰岩，软硬互层，呈黄褐色夹灰白色，强风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎;地下水不发育;岩溶发育，掌子面拱顶、左侧、右侧发育溶洞、溶腔，拱顶溶洞自DK343+119段延伸至DK343+135段，向上高于开挖轮廓线2.5 m，向左横向延伸约23.0 m，向右横向延伸约19.0 m，溶洞内无充填物，无水，发育多条溶腔。图11为现场开挖图。DK343+158～DK343+198隧道已开挖段揭示地层岩性为灰岩，呈黄褐色夹灰白色，强风化，软硬互层，节理裂隙发育，岩体破碎;地下水不发育;岩溶发育，掌子面拱顶左侧溶蚀现象严重，发育溶洞、溶腔，溶洞体积高约4.5 m，宽约4 m，沿隧道走向发育，拱顶左侧溶洞自DK343+177延伸至DK343+198，溶洞内充填少量粘土，无水，向上发育溶腔。

图11 左侧拱腰处溶洞

4 结语

在隧道施工过程中，运用各种超前预报方法来指导施工是重要且必要的，它使施工消除盲目性，并按科学规律指导施工，这已为有识之士所共识。有目的的综合运用各种预报方法，通过信息的反馈不断改进和选择预报方法，使预报方法优化组合，可得到最佳的预报效果和经济价值。超前地质预报工作中，由于岩溶发育的千变万化，没有规律性，所以针对岩溶的预报，是一个重点，更是一个难点。对技术人员的要求将越来越高，他们不仅要有大量的地质知识，还要掌握丰富的物探和钻探经验，把这些技能结合成知识体系，这才能真正做到对岩溶的准确预报［5，6］。

TSP探测法在隧道的预报中有相当重要的作用，可以大体上确定岩溶和断层的位置，为施工提供可靠的建议，再结合钻孔和红外探测结果，更能做到有的放矢。超前地质预报的社会效益与经济效益毋庸置疑，但超前钻孔的连续施作，占用了较长的施工时间。通过隧道开挖过程中加深炮孔(5 m)的施作，既省时，又能大致查明隧道掌子面前方5 m的地质情况。加深炮孔和超前钻孔的有机结合，更能利于隧道的安全快速施工。

［1］ 铁道第三勘察设计院集团有限公司.鸭咀岩2号隧道勘察报告［R］.2010.

［2］ 赵 鹏，翟宸儇.超前地质预报在斗篷山隧道中的应用［J］.隧道建设，2011，31(sup):2.

［3］ 齐传生，周振国，杨世武，等.超前地质预报指南(铁建设［2008］105号)［Z］.

［4］ 袁真秀.TSP技术在厦深铁路大南山隧道花岗岩地层开展超前地质预报工作的应用研究［J］.物探化探计算技术，2011(5):21-23.

［5］ 军羡安.超前地质灾害预报在桃花铺二号隧道施工中的应用［J］.地下空间，2004(3):66-67.

［6］ 何发亮，李苍松.隧道施工地质超前地质预报工作方法［J］.岩土力学，2006(10):53-54.

［7］ 商 琦.超前地质预报技术在隧道地质勘探中的应用［J］.山西建筑，2012，38(8):185-186.