综合超前地质预报在隧道施工中的应用探讨

王利伟，徐永明

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

随着我国基础建设事业的快速发展，山区长大、深埋隧道工程数量越来越多，隧址区的工程与水文地质条件存在很多不确定性。在隧道开挖过程中，塌方、突水、突泥时有发生，施工安全无法得到保障，财产损失惨重，工期无法保证，给工程造成巨大的损失。隧道超前地质预报可以探明工作面前方一定范围内的地质情况，提前做好相应防范措施，因此，隧道超前地质预报为隧道安全施工发挥很大的作用。目前，超前地质预报的常用方法有地质调查法、超前钻探法、物探法、超前导坑法。而在实际预测过程中，每种方法都有局限性，甚至部分预报方法存在失真现象，导致预报成果的误判。因此，在预报过程中，应根据隧道的工程地质与水文地质条件、地质因素对隧道施工影响程度及诱发环境问题的程度等，对隧道分段进行地质复杂程度分级。隧道地质复杂程度分级是动态变化的过程，可根据开挖过程中的超前地质预报成果和实际地质情况进行动态调整。根据不同的地质复杂程度分级，针对不同类型的地质问题，选择不同的方法和手段进行综合超前地质预报。

1 隧道超前地质预报方法

隧道超前地质预报方法一般包括地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑法。

1.1 地质调查法

地质调查法包括隧道地表补充地质调查、洞内开挖工作面地质素描和洞身地质素描、地层分界线及构造地下和地表相关性分析、地质作图等。地质调查法是综合预报中最基本的方法，适用于各种地质条件下隧道的超前地质预报。在人员选择上，须选择一些地质经验丰富的人员，指导隧道超前地质预报和隧道施工。

1.2 超前钻探法

超前钻探法包括超前水平钻探、加深炮孔探测及孔内摄影。超前水平钻探是最直接、最直观的一种探测手段。预测距离一般30～50 m，适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报，在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段采用。由于超前水平钻探对施工干扰较大，且成本较高，在一般地段不宜采用。

加深炮眼的预测距离为3～8 m，适用于各种地质条件下隧道的超前地质探测，尤其适用于岩溶区。加深炮眼对施工干扰较小，且易于操作，对于解决围岩局部地下水发育、岩溶发育区等作用较大。在布设加深炮眼时，应结合地质素描，易布置在破碎带最先揭露处，岩溶区应全断面布置。

1.3 物探法

物探法包括弹性波反射法(地震波反射法、水平声波剖面法、负视速度法和陆地声纳法等)、电磁波反射法(地质雷达探测)、红外探测、高分辨率直流电法。TSP探测为弹性波发射法中最常用的一种。TSP的探测和预报距离远，约100～200 m，对隧道隧洞施工影响很少(钻孔和测试均在隧道隧洞侧壁进行，洞内探测时间仅用45～60 min)，抗干扰能力强(除了打钻、放炮以外，基本不受干扰)。但对于查清2 m以下的不良地质体，探测缓倾角断层和溶洞效果不明显，对于小溶洞和充填性溶洞更是无法探测。地质雷达探测距离一般不超过30 m，在可溶岩地区，多采用地质雷达进行岩溶探测。

1.4 超前导坑预报法

超前导坑预报法包括平行超前导坑法、正洞超前导坑法等。

不同的预报方法有不同的适用范围，在超前地质预报中，应采用适合相应地层的预测方法，对前方不良地质体进行准确的预测，指导隧道施工。根据预报对象的特点，采用几种有效地预报手段进行相互印证的预报方法称为综合超前地质预报。综合超前地质预报法预测准确性很高，避免了各个预报手段的缺点，而综合超前地质预报需要经验丰富的专业人员进行预报方案的设计，合适的预报方法能保证预报的准确性，避免采用错误的预测方法，从而减少对施工的影响。

2 超前地质预报的主要内容和工作方法

超前地质预报应包括地层岩性的预测，特别是对软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土的预测;地质构造的预测，特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测;不良地质的预测，特别是对岩溶、人为坑洞、瓦斯等发育情况的预测;地下水的预测，特别是对岩溶管道水及富水断层、富水褶皱轴、富水地层中的裂隙水发育情况的预测。

实施超前地质预报应全面了解隧址区地质情况，分析和掌握存在的主要工程地质问题、主要地质灾害隐患及其分布范围，确定地质复杂程度分级，确定重点预报地段，根据预报实施工作中掌握的地质情况，及时调整隧道区段的地质复杂程度分级、预报方法和技术要求。采用综合超前地质预报时，应将各预报手段所获得的资料进行综合分析和判断，提高预测准确性。

对于断层的预报，根据区域地质资料、工程地质平面图与纵断面图以及必要的地表补充地质调查，进一步核实断层的性质、产状、位置与规模等。采用弹性波反射法确定断层在隧道内的大致位置和宽度。必要时采用红外线探测、高分辨直流电法探测断层带地下水的发育情况，必要时采用超前水平钻探预报断层的确切位置和规模、破碎带的物质组成及地下水的发育情况等。采用隧道内地质素描、加深炮眼、断层趋势分析等手段预测断层的分布位置。

对于岩溶预报，根据区域地质资料，研究隧址区岩溶发育规律，根据隧道内地质素描结果，验证、调整地质复杂程度分级和超前地质预报方案，根据地质条件，可采用弹性波反射法进行长、中长距离探测，以探明规模较大、可足以被探测的岩溶形态;采用地质雷达进行短距离探测，以查明岩溶位置、规模和形态。根据地质复杂程度分级、地质素描、物探异常带进行超前地质钻探预报和验证，对富水岩溶发育地段，超前地质钻探必须连续重叠式进行。岩溶区必须进行加深炮眼探测。

3 应用实例

3.1 实例1:断层预测

3.1.1 地层岩性及断层概况

加里东期花岗岩，中—细粒结构，块状构造，裂隙较发育，岩体较完整，基岩裂隙水不发育，岩质坚硬，为后期侵入岩。断层与洞身处大角度相交，相交里程为DK0+940，断层产状为 320°∠75°，属挤压逆断层，断层段落围岩地质复杂程度为较复杂。

3.1.2 预报方案

通过TSP初步控制断层位置，再通过地质素描验证TSP探测结果，结合加深炮眼探测前方软弱层及水文情况，根据现场地质素描、加深炮眼及TSP探测报告，进行断层的初步判断，必要时采用水平钻探进行探测。

3.1.3 方案实施

(1)TSP探测

TSP探测结果(图1)，DK0+864～DK0+882段初步推断为该段围岩岩体破碎，节理裂隙发育，围岩完整性一般，岩质较软，地下水不发育，DK0+890～DK0+915段初步推测为该段围岩岩体较破碎，节理裂隙较发育，地下水不发育，围岩自稳性差，易塌方。

(2)地质素描及加深炮眼预测

在隧道开挖至DK0+850时，掌子面岩性为花岗岩，节理裂隙较发育，岩体较完整，掌子面中部见节理发育密集带，带宽约 0.5 m，产状 350°∠80°。考虑DK0+864～DK0+882段可能岩体破碎，结合区域资料，于掌子面连续布置6 m加深炮眼，搭接长度2 m，在隧道开挖至DK0+885时，掌子面岩性为花岗岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，在隧道右上侧施作加深炮眼时，在钻进4 m后，风枪钻进速度很快，无水，可以推断出DK0+889处为断层。要求施工单位改变施工工法，按V级围岩施工。如风枪钻孔内发现有水，应采取超前水平钻探，排除突水、突泥后方可施工。

在隧道开挖至DK0+888时，掌子面右侧揭露为断层泥，硬塑，无水，掌子面左侧为花岗岩，岩体较完整。现场测量断层产状为305°∠73°根据TSP分析结果，DK0+888～DK0+920为断层破碎带。综合考虑，预报成果如图2所示。

3.1.4 开挖验证

隧道开挖揭示围岩如下:DK0+888至DK0+918为断层，断层产状为310°∠72°，宽度为28 m，见少量基岩裂隙水。预测断层位置与实际位置相差2 m，基岩裂隙水预测准确，预报准确性满足施工开挖的要求。

TSP探测 DK0+864～DK0+882，DK0+890～DK0+915为断层，而开挖揭示仅DK0+888～DK0+915为断层，单采用TSP探测结果是不可信的，采用综合超前地质预报能准确的预测断层。

图1 TSP成果展示

图2 预报综合成果

3.2 实例2:岩溶预报

3.2.1 地质特征

隧道洞身地层为寒武系灰岩、泥灰岩，强—弱风化，薄—中层状，岩体破碎—较完整，节理裂隙较发育，溶洞较发育。，同时本段隧道洞身埋深20～40 m，受地表影响较大。本段落围岩地质复杂程度为较复杂。

3.2.2 预报方案

本段主要为可溶岩，需探明岩溶在隧道内的分部位置、规模、充填情况及岩溶水的发育情况。通过地质雷达查找溶洞可能发育的位置和规模，地质素描详细描述溶蚀发育程度，加深炮眼验全断面查找溶洞。对于溶洞发育段落须通过超前水平钻探确定前方的溶洞发育程度及充填物，排除突发性地质灾害，然后根据预报成果进行超前支护，在确保施工安全的情况下，进行隧道的开挖。

3.2.3 方案实施

(1)地质雷达预测

通过采用地质雷达(图3)进行预测预报结果:DK6+003～DK5+993，灰岩，岩体破碎，节理裂隙发育，溶洞发育。DK5+983～DK5+980，灰岩，岩体破碎，节理裂隙发育，溶洞发育。DK5+980～DK5+975，灰岩，岩体较破碎，节理裂隙较发育，溶洞弱发育。

图3 地质雷达图像

(2)地质素描及加深炮眼

在隧道开挖至DK6+005时，揭示为灰岩，弱风化，岩体较完整，节理裂隙较发育，见少量基岩裂隙水，见轻微溶蚀现象。在施作加深炮眼过程中，技术人员进行旁站，发现DK6+003处右上侧风枪钻进速度明显加快，初步判定为溶洞。停止隧道掘进，待通过水平钻探验证后，方可施工。

(3)超前水平钻探预测

为进一步探清溶洞的发育规模及方向，在掌子面上断面布置3个钻孔，钻探显示溶洞发育。根据钻探结果绘制展示图(图4)。

图4 地质展示

3.2.4 开挖验证

通过综合预报方法，特别是超前钻探，确定了溶腔规模大小，溶洞充填物主要为粉质黏土及块石，地下水不发育。因此，现场采取长管棚周边注浆处理该段溶腔。

本段开挖揭示为溶洞发育强烈，发育走向为30°，溶洞充填物为粉质黏土及较多块石，见少量基岩裂隙水。与预报成果基本一致。地质雷达DK6+003～DK5+993、DK5+983～DK5+980溶洞发育，而开挖揭示DK6+003～DK5+965段溶洞发育，且探测具体位置不准确。通过地质素描与超前水平钻探的预报和验证，综合预报，对溶洞的发育进行了准确的预测。

4 结语

在综合超前地质预报中，关键是进行预报方案的设计。首先熟悉区域地质资料和地质勘察报告，针对不良地质体的特征，进行地质复杂程度分级，选择合适的预报方法。对于地质条件简单段落，采用地质素描和一般炮眼即可，如地质素描时发现异常，应采用其他预报方法。对于较复杂的断层，采用TSP、地质素描、加深炮眼，根据断层的突水突泥的可能性，必要时采用超前水平钻探。对于较复杂的溶洞，主要采用地质雷达、地质素描、加深炮眼，根据溶洞发育程度，必要时采用超前水平钻探。

综合超前地质预报在预报过程中，有选择的采用几种有效的预报方法。即节省费用、省时、又减少对施工的干扰，并能保证预报的准确性及隧道安全施工。

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