综合超前地质预报在重庆酉沿高速中的应用

孟令辰

(1．东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040;2．中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京 101102)

1 工程概况

重庆酉阳至贵州沿河(重庆段)高速公路项目全长31．027km，桥隧比47．8%，项目总投资36．5亿元。其中酉阳1号隧道(ZK1 + 904—ZK5 + 760)属于特长隧道，长度为3 856m，隧址地处渝东南多山岩溶发育区域，山体多以灰岩、白云质灰岩为主，岩溶极发育，在前期地勘中显示隧址上方有五处大型的落水洞连通到隧道位置附近，隧址下方存在地下暗河。

2 岩溶隧道超前地质预报技术

2．1 岩溶隧道超前地质预报现状

岩溶隧道施工中最大的安全隐患是涌(突)水(泥)，它严重危及隧道施工的安全，影响隧道施工的进度，而且如果隧道施工措施不当，常常会使隧道建成后运营环境恶劣，地表环境恶化，给人们的生产和生活造成重大的损失。随着近年来物探技术不断发展，超前地质预报技术在隧道施工中得到了广泛的应用。其利用常规地质方法、工程物探方法、钻探法、数值分析法等，在隧道开挖前预报前方地质情况，特别是在复杂地质条件隧道施工过程中，在加强工程地质分析的同时，结合物探、钻探对不良地质体进行的探测分析得出成果，为隧道工程的快速掘进、材料的提前准备及地质灾害事故的有效预防提供了可靠的地质资料和信息。

目前，隧道超前地质预测预报以单一地采用地质钻探法或物理探测为主。前者主要为超前水平地质钻孔、加深炮孔，后者主要有地质雷达、TSP 法等。由于水平地质钻孔只能进行短距离预报且占用掌子面时间较长，物探成果具有多解性，对于地处地质情况复杂的隧道采用单一预报方法得出的预报成果并不十分可靠。

2．2 超前地质预报技术实施方案

超前地质预报组结合酉阳1 号隧道属于特长公路隧道的实际，并针对开挖断面大、隧址地质情况复杂和岩溶发育等特点，首先制定了采用综合超前地质预报方法的预报方案。这样既可以有效兼顾两种预报方法的优点，还可以避免采取单一方法对隧道环境分析的不足。即利用常规地质方法、工程物探方法、钻探法、数值分析法对隧道地质情况综合分析，得出预报成果，使预报成果准确性高，为在复杂地质情况下隧道施工、及时制订处理预案提供了科学依据。

2．3 物探设备工作原理

TSP 探测法采用了回声测量原理，地震波在介质中传播会遇到不同的岩石界面，进而将一部分的地震信号反射回来，我们利用接收器将反射回来的数据加以收集，再通过数据处理软件进行后期的处理分析，得出预报成果。

地质雷达方法原理是利用发射天线向地下介质发射广谱、脉冲形式的高频、甚高频电磁波，电磁波遇到电性(介电常数、电导率)差异界面时将发生透射、折射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用。用接收天线接收并记录来自地下的反射波，采用相应的处理软件进行数据处理。

3 酉沿1 号隧道左线ZK2 +960 溶洞综合预报实例

根据设计资料，ZK2 +930—ZK2 +980 段隧址上方存在大型落水洞一处，上下连通，可能与隧道下方的地下暗河相连。为探明前方围岩情况，预报组采用了以TSP 探测位置，综合使用地质雷达探测、水平钻探法等多种探测手段，基本探明前方围岩的情况，为方案的制定提供了可靠的依据。

3．1 TSP 探测

2014年5月4日，预报组对酉阳1 号隧道左线首先常规地采用了TSP 探测法进行中长距离的探测预报，在掌子面里程为ZK2 +927 处施做TSP 探测法。预报组处理流程包括11 个主要步骤，即:数据设置→带通滤波→初至波拾取→拾取波处理→爆破波能量均衡→Q 估计→反射波提取→P-S 波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。处理的最终成果包括P 波、SH 波、SV 波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等，以及反射层在探测范围内的2D 空间分布图。从二维成果图分析显示ZK2 +944—ZK2 +973 段围岩各项物理力学参数呈跳跃状变化，不良地质体反射界面杂乱，相位为负，此段为物探异常区段。初步推断为该段围岩破碎，裂隙发育，岩质软硬相间，可能发育充填泥质溶腔，局部裂隙水发育。

3．2 地质雷达探测

根据TSP 的中长距离的预报成果，预报组在掌子面里程为ZK2 +940 位置时采用了地质雷达探测，每次预报15—25m 之间的中短距离，前后两次预报有至少5m 以上的搭接预报长度，由于开挖工法是二台阶开挖法，因此我们采用布置上下两条测线的方式对掌子面前方进行地质雷达探测，进一步明确掌子面前方的围岩情况。当发现ZK2 +952—ZK2+957 段掌子面不同程度地出现了溶蚀裂隙、局部围岩破碎、小型褶皱构造等情况后，预报组决定在掌子面ZK2 +957 处施做地质雷达探测。结合之前开挖情况和掌子面当时的地质情况及地质雷达回波图，综合分析得到0—280ns 段，电磁波同相轴较连续，局部振幅较强，以中、低频信号为主，推断此段围岩为灰岩，节理、裂隙发育，围岩较破碎，岩溶发育，局部裂隙夹有泥质，围岩湿润;其中60—280ns 段，掌子面左侧及中部为物探异常区，推断该异常是由于岩溶等类似结构引起的。该结果与TSP 探测结果相符。

3．3 超前水平钻孔验证

根据上述探测成果，预报组建议在ZK2 +957 处暂时停止掌子面掘进，因为物探异常区距离现在的掌子面最近的位置仅3m 左右，为保障施工安全，保证有足够厚度的安全岩盘可以防止溶腔中的充填物突涌，确保人员安全和机械财产不受到损失。预报组与项目部协商沟通在掌子面ZK2 +957 处进行超前水平钻探，验证两次物探结论是否正确。若存在溶洞，则探明溶洞中的充填物及溶腔的大小、深度，从而为后续的施工提供可靠的科学依据。本次预报组为节省占用掌子面的时间，采用的是非取芯超前地质钻。这种钻探的优点是钻进速度快，探溶效果好，根据钻进的不同特征、反水情况来判断前方的地质情况;不足之处是不能取出前方围岩的芯样，不能更直观地看到前方围岩的具体变化。为进一步探明物探异常区的情况，预报组依据雷达图像在掌子面的左侧、中部、左上部设置了三个钻孔位置。在钻进过程中，预报组的地质编录同时进行，在ZK2 +957—ZK2 +960 段位于掌子面中部的探孔，钻探记录:钻进特征为出现3 次卡钻现象，反水基本为灰白色，偶尔出现伴有黄色的泥水，说明围岩破碎，溶蚀现象发育;在ZK2 +960 处出现了跳钻情况，随后有成股的黄泥伴少量的水流出;继续向前钻探1m 后，钻机的钻进速度明显下降，钻进到ZK2 +961．5m 处时溶腔中的泥质充填物已将钻杆裹紧，不能继续钻探。而后预报组又对事先设计好的另外两个位置进行了钻探，在掌子面前方3—4m 之间都出现了泥水混合物流出。预报组据上述情况分析:前方ZK2+960 处存在溶洞，大体的位置为自掌子面中部至左侧、自隧道起拱线向上均为溶洞区域，溶洞的具体大小尚不能确定，充填物为泥、水混合物，隧道下方的钻孔充填物黏度较高，可能为淤积黄泥，推断为溶洞的底部或腔室的底部。

3．4 依据预报成果确定处理方案

通过综合超前地质预报成果分析验证，酉阳1 号隧道左线ZK9 +960 处存在溶洞，其位置为自掌子面中部至左侧、自隧道起拱线向上均为溶洞区域，溶洞的具体大小尚不能确定，充填物为泥、水混合物，隧道下方的钻孔充填物黏度较高可能为淤积黄泥，推断为溶洞的底部或腔室的底部，隧道可能横穿大型溶洞底部。

依据以上水文及地质条件，建设单位组织了针对此溶洞的专项处理方案会议，最终采用了多次开挖，缓慢释放溶洞内部充填物的方法，将溶洞中的充填物安全地释放出来，衬砌背后溶洞采用预埋排水管、滤水装置后逐级注浆处理。

3．5 综合超前地质预报结果分析

(1)TSP 探测距离远，对前方异常的构造物有着指导性的预警作用，但仅依靠此结论还不能准确地预报出前方异常的具体情况，TSP 的结论还比较模糊，异常的距离上会有一定的偏差，这就要综合中短期预报手段地质雷达探测、超前水平钻等方法来相互印证、相互补充。

(2)不要盲目解译物探中出现的异常情况，物探数据存在着多解性，围岩的变化也存在难以预见性，要结合现场地层实际情况，综合多种方法，最终得出预报结果。

4 结语

开挖后所见溶洞及充填物与预报中的成果相互印证，完全相符，预报组就是采用了综合超前地质预报的方法在岩溶发育地质情况复杂区域进行了有效准确的预报，即长短预报相结合，物探法、钻探法相互印证，前后搭接预报，为施工赢得了时间，保障了人员及财产安全。这为预报组在渝东南酉阳地区的预报工作积累了珍贵的经验，为我们在岩溶隧道预报方面留下了宝贵的资料。

［1］王建秀．腐蚀损伤岩体中的水化——水力损伤及其在隧道工程中的应用研究［D］．成都:西南交通大学，2002．

［2］吕康成，崔凌秋，等．隧道防排水工程［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［3］马栋，李庚许，张有生．综合超前地质预测预报技术在复杂岩溶隧道施工中的应用［A］． 第四届全国岩石锚固与注浆学术会议论文集［C］．2007．

［4］张先锋．隧道超前地质预报技术指南［M］．北京:人民交通出版社，2013．

［5］铁路隧道超前地质预报技术指南( 铁建设〔2008〕105 号)［Z］．