综合超前地质预报在天坪隧道施工中的应用

王明慧，鲁军良，杨仁春

(1．渝黔铁路有限责任公司，重庆 400014;2．中铁隧道勘测设计院，四川 成都 300133)

1 天坪隧道概况

天坪隧道起讫里程DK116+258—DK130+236，全长13.978 km，为渝黔铁路全线最长的单洞双线铁路隧道，设计速度200 km/h，工期4年。隧道工程地质条件复杂，集高瓦斯、刺激性气体、岩溶、断层破碎带、软弱围岩、大涌水量、高应力、高地温、危岩、落石于一体，属Ⅰ级高风险隧道。隧道洞身穿越多条断层、节理密集带、可溶岩与非可溶岩接触带，施工中容易出现坍塌、涌水、突泥等安全风险，隧道涌水量大(预计隧道正常涌水量为83 773 m3/d，雨季最大涌水量为251 319 m3/d);DK127+850处洞身通过龙潭组煤系地层，为瓦斯突出区段，施工风险极大。隧道连续穿越C3，C5煤层，煤层厚2.45 m，瓦斯含量高，压力大，且有瓦斯突出危险，隧道横洞区段为瓦斯突出区段。

2 综合超前地质预报方法及应用

2.1 预报方法

为保证隧道的施工安全，施工中应采用综合超前地质探测、信息化监控和动态管理等方式对地表水、地下水、围岩、支护状态和瓦斯浓度进行监测，随时掌握监测对象的状态，建立监控量测管理基准值，有效降低地质灾害的发生，确保施工及工程结构的安全。

在高风险隧道施工过程中，超前地质预报工作是保证隧道施工安全的重要环节和技术手段［1］。高风险隧道的风险类型多种多样，应采用能相互印证的预报方法，以提高预报的准确率。

超前地质预报方法主要分为地质调查法、物探法、钻探法、超前导坑法4大类［2］。目前国内隧道施工常用的地质预报手段有地质素描、TSP203、TGP、TRT6000、TST、红外探测、地质雷达、高分辨直流电法、超前地质钻探、加深炮孔和平行导坑等。

2.1.1 地质调查法

地质调查法是根据隧道已有勘察资料和洞内地质素描，通过地层产状、层序对比、构造产状及与隧道空间位置关系，结合隧道开挖揭示的围岩岩性、产状变化来推测开挖工作面前方地质情况的一种超前地质预报方法［3］，包括地表地质调查和洞内地质素描，适用于各种地质条件下的隧道预报，是所有隧道施工中普遍采用的预报手段之一。

2.1.2 物探法

物探法方法多，设备轻便，对施工干扰少，是超前地质预报的重要手段。物探资料只有在物性资料和地质资料齐全的基础上进行定量解释，才能获得准确的解释参数，在实际应用中往往存在多解性［4］。物探法按原理又可分为地震波反射法、红外探测法、电磁波反射法、直流电法。其代表性的预报手段分别是TSP203、红外探测、地质雷达、高分辨直流电法。

TSP203预报是通过地震波在围岩中的传播与反射来预报作业面前方地质情况，预报距离一般为100～150 m［5］。其对断层、较大型溶洞、软弱围岩接触带等带状软弱破碎带预报较为准确，而对于小规模的裂隙、软弱夹层、岩溶管道等预报精度不高，容易忽视。当施工地段围岩条件差，地震波在围岩中衰减损失严重时，则TSP203预报距离短，预报准确率差，不宜采用。与TSP203类似的预报方法有 TGP、TRT6000、TST。

红外探测法是通过分析围岩的红外辐射场强值来判断作业面前方地下水发育情况［6］，但不能探测围岩强度和完整性，预报距离不大于30 m。而且，受隧道内施工环境干扰，预报距离短，预报精度不高，可以作为一种辅助手段，不宜单独采用。

地质雷达法是通过电磁波在岩体中传播与反射来探测作业面前方围岩的完整性［7］，对30 m范围内的宽张裂隙、溶槽、溶洞预报较为准确，因此主要用于可溶岩地段的岩溶预报。

高分辨直流电法是通过分析围岩的电阻率差异来探测围岩地下水的发育情况，预报距离一般不超过80 m，受隧道内环境因素影响较大，目前在铁路隧道施工中并未普遍应用。

2.1.3 钻探法

钻探法分为超前地质钻探和加深炮孔探测。超前地质钻探是最直观的一种超前地质预报方法，不存在物探手段经常发生的多解性，主要用于岩溶、不良地质段落的探测［8-9］;其缺点是探测费用高、占用施工时间长。因此，超前地质钻探的一般设计孔数为1～3个。加深炮孔探测是在隧道开挖的钻孔基础上增加3～5个深炮孔，具有操作方便、费用低、占用隧道施工时间短，可作为超前地质钻探的有效补充。

2.1.4 超前导坑法

超前导坑法是以超前导坑中揭示的地质情况，通过产状分析进行地质填图预报正洞地质条件的方法。适用于线间距较小的设计有平导洞的隧道或双线隧道，以先行开挖的坑道预报后开挖坑道的地质条件。

2.2 综合预报方法的应用

天坪隧道穿越的岩性有泥岩、砂岩和灰岩，主要有煤层瓦斯突出、岩溶、断层突泥突水等风险源。针对天坪隧道地质条件和风险类型，确定采用以下预报手段:

1)非可溶岩(泥岩、砂岩)地段。当设计不存在地质构造或不良地质时，采用TSP、地质素描总体确定局部是否存在小型断层、褶皱，辅以加深炮孔探测基岩裂隙水发育情况;当探测到断层或其他地质构造时，再补充超前地质探孔进行验证，确定构造规模、围岩完整性及地下水发育情况。

2)可溶岩(灰岩)地段。地质预报以单孔超前地质钻探为主，通过地质素描、TSP预报岩溶发育程度，辅以地质雷达、加深炮孔确定岩溶裂隙、管道、溶槽、溶洞等具体的岩溶发育形态。

3)断层破碎带、煤系地层等不良地质地段。通过地质素描、TSP总体控制不良地质可能存在位置，辅以地质雷达、超前地质钻探、加深炮孔进一步确定其发育规模、富水情况。

按照上述预报原则，天坪隧道施工中超前预报出了断层破碎带、岩溶裂隙、溶槽等，准确地指导了施工。

天坪隧道横洞在开挖至HDK1+400时地质素描(见图1)确定该地段为可溶岩，发育岩溶裂隙，判定岩溶中等发育，应加强岩溶探测工作。施工中在以单孔超前地质钻探为主，以TSP203远距离控制预报为前提的基础上，辅以地质雷达、加深炮孔进行岩溶发育形态探测。

图1 HDK1+400地质素描

在HDK1+328里程处进行的地质雷达探测结果显示，HDK1+308—HDK1+300段存在异常(见图2)，判断该段发育宽张岩溶裂隙或溶槽。

图2 地质雷达解译

在HDK1+315里程处进行的超前地质探孔探测到HDK1+308处发育一条溶槽，并揭示高压涌水，瞬时涌水量约500 m3/h，水质浑浊，排放后涌水量逐渐减少，最后变为渗水。

结合地质素描和加深炮孔结果分析:该溶槽与横洞斜交，从左边墙向前方延伸，由微张的节理裂隙溶蚀发展为溶槽，最宽处为1 m，充填大量流塑状岩溶泥，见图3。

图3 溶槽发育位置平面示意

在HDK1+330里程处进行的TSP203探测结果显示(见图4)，前方100 m围岩较破碎～破碎，岩溶中等～强烈发育，局部溶蚀裂隙发育，存在软弱破碎带、溶洞、溶槽等，特别是HDK1+310—HDK1+305段围岩较差，施工中易产生塌方、拱部掉块、涌水等地质灾害。

图4 TSP法反射层位及物理力学参数结果

此次预报通过合理的运用地质素描、TSP203、地质雷达、超前地质钻孔、加深炮孔等预报手段超前准确探明了溶槽发育情况，避免突泥涌水事故的发生，并为调整和优化隧道设计参数、预防地质灾害等提供了准确的依据。

3 结语

由于对不良地质体的认识和判别存在主观偏差，而且勘测、测试手段的局限性和人为解译的差异性，难以保证超前地质预报的准确和及时。每一种预报都有一定适用范围和预报优势，因此，应该根据围岩岩性、不良地质类型有针对性地选用合适的预报方法。

1)同一类的预报方法，比如TSP、TGP、TST都是以分析反射的地震波为基本原理，若要采用此类物探方法，可以选用其中一种。

2)物探法预报受隧道内施工环境影响较大，当现场数据采集条件较差时，探测结果易出现多解。要保证物探法准确率就应做好数据采集准备工作，减少施工对预报的干扰。

3)为确保地质预报的准确度，应采用长短距离预报相结合的方式。

4)超前地质预报应该由专业的地质、物探专业人员进行实施，以保证预报准确性，避免出现漏报。

［1］何发亮，李苍松．隧道施工期地质超前预报技术的发展［J］．现代隧道技术，2001(3):410-411．

［2］王明柱，叶建．TSP203在保上隧道超前地质预报中的应用［J］．公路与汽运，2011(3):188-190．

［3］吴泰然，何国琦．普通地质学［M］．北京:北京大学出版社，2003．

［4］曾昭璜．隧道地震反射法超前预报［J］．地球物理学报，1994(2):268-270．

［5］冯顺剑．TSP203在苍岭隧道超前地质预报中的应用［J］．四川建筑，2006(4):74-76．

［6］郎玉光．隧道超前地质预报综合技术［J］．铁道建筑，2007(12):48-50．

［7］李大心．探地雷达原理与应用［M］．北京:地质出版社，1994．

［8］刘志刚，赵勇．隧道隧洞施工地质技术［M］．北京:中国铁道出版社，2001．

［9］陈万青，赵勇．综合超前地质预报技术在朱砂堡2#岩溶隧道中的应用［J］．铁道建筑，2013(7):65-67．