隧道综合地质超前预报在某高风险隧道中的应用

王少光

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)



隧道综合地质超前预报在某高风险隧道中的应用

王少光

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

以沪昆线长城岭隧道为例，采用地质分析、TSP 探测、红外探测、工作面编录、超前钻探相结合的综合预报方法对含水断层地段进行探测预报，预报结果与实际开挖情况吻合，预报精度满足施工要求，预报结果验证了综合预报方法的准确性与可行性。

综合地质超前预报 高风险隧道 红外探测

我国西南地区为多山地区，地质条件复杂，构造运动、断裂带发育，地下水丰富，隧道开挖过程中坍塌、冒顶、岩溶、涌水等地质灾害经常发生。因此，隧道超前预报工作就显得极为重要。

关于隧道超前预报方法，刘志刚等人做了大量的研究，目前隧道施工中常用的预报方法主要有地质分析、TSP、红外探水、地质雷达、超前水平钻等方法[1-5]。采用单一预报方法往往不能满足施工要求，而不同预报方法的适用性有限，如何有效提高预报的精度，规避施工风险尤为重要。以长城岭隧道为例，采用多种预报方法相结合的综合预报手段对隧道含水断层进行预报，对类似工程具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

长城岭隧道位于湖南省怀化市溆浦县小横垄乡至湖南省中方县蒿吉坪乡境内，隧道起讫里程为：DK280+193～DK287+747，全长7 555 m，最大埋深约为513 m。隧道穿越区域内地质条件复杂，有多条断裂穿过，地下水发育，属于二级风险隧道。

2 隧道地质条件

长城岭隧道地质条件较差，构造复杂，地下水发育，进口端强风化层厚度较大，洞身岩性变化较大，且有5条断层穿越隧道，出口端为较软岩。

隧道进口端为地表残坡积层含碎石粉质黏土，下伏为震旦系下统洪江组砂质板岩，强风化层厚度较大；洞身岩性岩相变化较大，主要为：寒武系下统荷塘组砂质板岩、炭质板岩，震旦系上统灯影组硅质板岩，震旦系下统江口组砂质板岩；出口端为震旦系下统江口组砂质板岩。受小横垄—槐子冲变形区的影响，隧址区东部发育有九溪江—三岔溪变形亚区(为一复式背斜)及其次级褶皱，向西地层则呈单斜构造。

隧道区地下水主要赋存于震旦系、寒武系基岩裂隙中，受大气降雨和第四系松散岩类孔隙水下渗补给，水量随季节性变化明显；隧道区断层平面延伸较长，切割错动地层，为良好的地下水导水带和富水带，长期接受大气降水和地下水的下渗补给，含水量较丰富。

3 综合超前预报技术

综合超前地质预报方法包括：隧道区域地质分析及隧道不良地质分析、隧道不良地质长期超前预报、隧道不良地质短期超前预报、隧道不良地质超前钻探、隧道施工地质灾害评估及临近警报[1]，对长城岭隧道进行综合超前预报着重从以上几个方面进行。

3.1 隧道地质分析

隧道地质分析主要通过区域地质调绘、地质钻探、物探等手段进行，对隧道进行整体评估，确定不良地质的类型、走向位置及可能发生的地质灾害，并提出合理的措施和建议，为后续预报工作的开展提供依据[6]。

根据区域调绘成果及钻孔资料推断：长城岭隧道DK284+920～DK285+060段内存在区域性断裂构造，断裂影响破碎带内及其附近节理裂隙发育，岩体破碎，含水量较丰富，断层通过区在地表为深切沟谷和高陡悬崖地貌。沟谷内溪水流量较大，地表水与地下水联系密切。

采用无源大地电磁法对隧道全线进行物探勘察，查明隧道洞身范围内的岩性、构造、地下水及其它不良地质情况。沿线位布置一条物探测线，测线长度7 475 m，物探成果显示DK284+800～DK285+100为物探异常段落，推测可能为断层及破碎带，应注意突水、突泥等灾害(见图1)。

图1 物探大地电磁成果

物探方法解决的是地质问题，需要与地质分析方法相结合，掌握地质现象的规律，了解区域地质构造分布范围、走向及产状特征，物探结果的解译才能合理、可靠[7]。

通过地质调绘、地质钻探、物探手段综合分析：DK284+920～DK285+060围岩为Ⅴ级，岩性为砂质板岩夹硅质板岩，段落范围内可能存在较大的不良地质构造。受构造影响，该段落内岩体破碎，并根据地貌判定该构造与地表沟谷可能存在联系，施工中易发生塌方及突水突泥等重大不良地质问题，需加强预报工作并应在施工过程中加强排水措施，为后续拟开展的地质预报工作及隧道开挖提供依据。

3.2 长期预报成果解译

长期超前地质预报的预报距离为工作面前方100～150 m，主要的预报方法有TSP、TGP、断层参数预测法、地面地质体投射法等[8]。国内目前多采用TSP法作为长期预报的主要手段。

TSP是利用人工激发的地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道开挖面前方地质情况的一种方法，适用于划分地层界线，查找地质构造，探测不良地质体的厚度及范围。长城岭隧道采用TSP203plus进行长期预报(见图2)。接收器位置在DK284+835，工作面位置为DK284+870，设计为24炮，实际激发20炮，数据采集记录20炮合格。数据采集时采用X-Y-Z三分量接收，采样间隔62.5 μs，记录长度451.125 ms(7218采样数)。

图2 设备埋置示意

图3 TSP物理力学参数

由TSP物理力学参数(见图3)，可见DK284+968、DK284+990处Vp/Vs增加，泊松比μ突然增大，表明有充水地质体存在。由二维推断分析图(图4)可见(图中三角反射界面代表P波反射，方块、圆盘反射界面代表SV、SH波反射)，在DK284+975～DK284+985反射界面Vp减小，推断岩体破碎。在DK284+887～DK284+922、DK284+965～DK285+033段显示均为S波反射，P波反射在反射层筛选中被筛选掉，说明S波反射比P波强，判定此段地下水发育。

图4 TSP二维推断分析

3.3 短期预报成果解译

短期超前地质预报的预报距离一般为工作面前方15～30 m，主要的预报方法有地质雷达探测、红外线和声波探测法、工作面编录预测法(地质素描法)。在长期预报的基础上，采用红外探测法及地质素描预测法进行短期预报。

(1)红外探测

干燥无水的地层和含水层常常发射不同的红外辐射，地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化。红外探水仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据围岩红外场强的变化来预报工作面前方或洞壁四周是否隐含水体[9]。结合TSP结果对DK284+940工作面及DK284+965工作面进行探测，对工作面前方30 m范围内的地质情况进行预报。预报成果如表1和表2所示。

表1 DK284+940工作面红外探水成果 μW/cm2

表2 DK284+965工作面红外探水成果 μW/cm2

DK284+940：由工作面上20个测点的数值可知其最大值为279 μW/cm2，最小值为267 μW/cm2，差值为12 μW/cm2，大于预设安全值10 μW/cm2；场强低值主要分布在工作面左侧，推断工作面前方为普遍滴水、渗水或线状出水，左侧可能存在股状出水。

DK284+965：由工作面上20个测点的数值可知其最大值为264 μW/cm2，最小值为250 μW/cm2，差值为14 μW/cm2，大于预设安全值10 μW/cm2；场强值较DK284+965工作面普遍偏低，推测该工作面距不良含水体的距离较上段更近，即工作面前方很可能存在不良含水构造；场强低值主要分布在工作面中央拱顶到左侧坡脚处，推断工作面前方普遍滴水，隧道左侧可能渗水或股状涌水，局部可能发生突水。

红外探水方法测量快速，对施工干扰小，有较高的定性判别准确率，但无法预报水量和含水体具体位置等定量指标。

(2)地质素描预测法

地质素描预测法利用隧道工作面和侧壁围岩地层层序的对比、地质界线在地下和地表的相关性分析、地质隐患在隧道内的出露位置等，推测开挖工作面前方可能揭示到的地质情况[10]。

对长城岭隧道工作面284+960.6进行地质素描。工作面为炭质板岩，弱风化，灰黑色，薄层，属较软岩，岩体较破碎—破碎，节理裂隙发育，岩层产状：N42°E/49°S。测得两组明显节理。J1:N42°W/49°N，宽张型，延伸性差，局部充填石英岩脉，节理间距约5～10 cm。J2：N49°E/51°N，微张、张开型，延伸性一般，地下水发育，主要表现为滴水、线状出水，工作面顶部出现股状水。

根据工作面素描结果结合隧道剖面图推断，工作面前方围岩岩体较破碎，节理裂隙发育，含水，前方可能存在含水构造。

3.4 超前水平钻成果

超前地质钻探法是在隧道开挖工作面或其侧洞开挖前进方向施打超前地质钻孔，以探明开挖工作面前方地质条件的方法。通过钻探冲击器的响声、钻速及其变化，岩粉、卡钻情况、钻杆震动情况、冲洗液的颜色及流量变化等，粗略探明地层岩性、岩石强度、岩体完整程度、溶洞及地下水发育情况等。

对长城岭隧道工作面DK284+942前方施打超前水平钻探孔，钻孔孔深为36 m，钻孔位置如图5所示。

图5 钻孔布置示意

实际钻进过程中，0～12 m段钻进困难，有卡钻现象，冲洗液呈灰色，夹杂白色颗粒；12～36 m有轻微卡钻，围岩较硬。孔内连续渗水，终孔水量约20 m3/h，水量逐渐增大。

超前水平钻探成果揭示前方存在含水体，但具体位置尚无法判定，水量逐渐增大表明含水体具有连通性，可能与其他含水构造或地表相联通。

4 施工开挖情况验证

开挖过程中，DK284+965～DK284+985岩体破碎，节理杂乱无序，以密闭—微张裂隙为主，局部呈宽张型，判断为断层破碎带及其影响带。在工作面DK284+970左侧底部及中部附近两处位置发生涌水，实际出水量约20 000 m3/d，涌水持续时间较长，水质浑浊后变清；DK284+973，DK284+983，左侧分别发育两条0.5 m及1 m的裂隙，被混凝土充填；DK284+974、DK284+979发育股状水，水量分别为480 m3/d、370 m3/d。受F4断层构造影响，在DK284+970附近发生突水。F4断层为区域性非活动逆断层，走向NE35°，延伸长度15 km，产状290°∠55°，破碎带宽度15～25 m，延伸长，地下水补给范围广，水量较大。总体来看，采用多种方法相结合的综合预报成果与实际开挖情况吻合度较高。

5 结论

采用多种预报方法相结合对长城岭隧道进行超前地质预报，可得到以下结论：

(1)隧道超前地质预报技术对于隧道施工安全、施工质量和进度极为重要。受各种条件的限制，不同的隧道超前地质预报方法各有优缺点，在地质分析的基础上采用长短结合的综合超前地质预报方法可以有效提高预报的精度。

(2)对长城岭隧道采用了“地貌、地质分析与宏观预报相结合，TSP探测与工作面编录、超前钻探相结合”的综合预报方法，预报结果与施工情况基本相符，预报精度可以满足施工要求，预报结果验证了综合预报方法的准确性与可行性，对类似工程具有一定的借鉴和指导意义。

(3)红外探水能定性判断出工作面前方有水或者无水，对存在水体的水量、里程等无法准确探测。对隧道涌水水量可借助超前钻进行辅助预报，但受结构面产状、发育情况、连通性、充填情况等因素影响，准确率较低。如何快速准确预报隧道构造涌水，还有待进一步研究解决。

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Application of Comprehensive Geological Prediction in High Risk Tunnel

WANG Shaoguang

2016-09-21

王少光(1982—)，男，2009年毕业于四川大学岩土工程专业，工学硕士，工程师。

1672-7479(2016)06-0042-04

U456

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