岩溶隧道超长破碎带超前预报方法

刘和文，张羽，郭玉彬，徐宾宾，袁方龙，江宗高

岩溶隧道超长破碎带超前预报方法

刘和文1，张羽2，郭玉彬1，徐宾宾1，袁方龙1，江宗高3

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程
技术重点实验室，天津300222；2.中国交通建设股份有限公司总承包经营分公司，北京100000；3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081）

具有典型岩溶地区特征的老鹰山隧道工程，因穿越断层而进入350 m超长破碎带。为了降低老鹰山隧道工程施工风险，采用超前预报技术获取掌子面前方岩层信息。首先依据地勘资料，针对开挖段潜在灾害地质体，结合各物探方法特点，制定了老鹰山隧道基于掌子面编录，地震波法（TSP），地质雷达法（GPR）以及红外探水等相结合的综合超前预报方案。分析了隧道右幅K15+930处岩层异常信号特征，并得到实际开挖验证，现场实际应用效果较好。相关预报思路、探测方法及信号分析方法可为类似岩溶地区超长破碎带隧道超前预报工作提供参考，具有实际的推广价值。

岩溶地区；隧道工程；超长破碎带；综合超前预报方法

0 引言

随着国家“十三五”计划的推进，逐步开始建设构建横贯东西、纵贯南北的国家高速公路网络。对于地势处于第一、二级阶梯的西南地区，公路隧道建设中常需穿越大长度的岩溶区域，甚至伴随有断层破碎带。频发的溶洞、地下突水等不良地质灾害，成为隧道施工中的重大安全隐患。完善的超前预报工作是保障隧道安全施工的必要条件。如何合理选择预报方法、规范预报流程以及科学解译图像信号等均成为近年来国内外隧道工程领域重要的研究课题。

基于电、磁以及场强等探测原理的各类物探方法在隧道超前预报中均有应用；主要包括洞内（外）地质编录、TSP、陆地声呐法、地质雷达、红外探水、瞬变电磁法，高密度电法等。邓尤东[1]详细的阐述了TSP203超前地质预报系统在乌鞘岭特长隧道中的应用情况，具体有数据采集、数据处理解释结果等，取得了很好的应用效果。吴俊等[2]列举了地质雷达应用于公路隧道施工超前预报的几个成功实例，并给出了几个典型不良地质体的雷达波形特征。王鹰等[3]将HY-303红外探测仪运用于圆梁山隧道突水超前预报中，隧道进口段平导和正洞的红外突水预报结果很好地说明了红外探测仪对透水区域的超前预报具有较高的准确度。李术才等[4]在各类地质预报技术的基础上提出了隧道四色预警机制，施工指导效果显著。各种物探手段因探测原理不同，在实际工程应用各有优缺点，对应一定的适用范围，具体适用条件见表1[5-7]。

表1 常见预报方法的适用范围Table 1Application scope of common forecasting methods

目前实践中积累的预报经验基本能够保证常规隧道施工安全，满足施工信息化要求；然而对于岩溶地区，尤其是超长破碎带的超前预报，无论是实际应用还是室内实验研究成果均相对较少；本文针对云南蒙文砚高速公路老鹰山岩溶隧道的超长破碎带段开展超前预报工作，从预报方法的选择到预报流程的确定以及数据信号处理与解译等方面深入分析，从而达到精确预报岩层信息，科学指导岩溶地区破碎带施工的目的。

1 岩溶破碎带超前预报

1.1 工程概况

老鹰山隧道位于云南省蒙自市至文山州至砚山高速公路段，连接昆河经济走廊和昆珠经济走廊，地形起伏较大，处于构造溶蚀侵蚀低中山地貌区；设计为分离式隧道，左幅起点里程K14+ 830，终点里程K17+294，左幅全长2 464 m，最大埋深128.85 m；右幅起点里程K14+861，终点里程K17+304，右幅全长2 451 m，最大埋深137.81 m；属于典型的长隧道。其中左幅K15+ 937—K15+977位于岩溶洼地中，埋深22.32耀24.98 m，为该隧道浅埋隧道段；右幅K15+765—K15+950位于岩溶洼地中，埋深21.61耀40.32 m。两个洼地内均发育有落水洞，落水洞洞深可测深度约5.0 m，为垂直发育落水洞，构成场区地表水排泄通道，对隧道施工影响极大。

根据工程地质调查及钻探揭露，拟建浅埋隧道段横跨断层F，断层走向约为N170毅S，总长约600 m，与老鹰山隧道呈约54毅斜交关系，断层以西为上盘，岩性为泥盆系上统（D3）灰岩；断层以东为断层下盘，寒武系中统（沂2）白云岩。该断层为逆断层，断层破碎带宽约350 m，厚度约100 m；左幅桩号K15+950—K16+260，右幅桩号K15+900—K16+250。受该断层的影响，隧道浅埋段围岩较为破碎，节理裂隙发育，对浅埋隧道段围岩稳定性极为不利。

1.2 超前预报流程

因岩溶隧道工程地质条件，施工工况差异，制定超前预报方案时依图1流程所示。坚持“隧洞内外结合，距离长短结合”的编制原则，达到对潜在不良地质体全方位探测的目的。

图1 超前预报流程图Fig.1Flow chart of advance forecast

根据老鹰山隧道勘探资料与水文条件，潜在不良地质体类型主要为解理裂隙、溶洞以及富水体。参照表1以及图1，兼顾对正常施工工序的协调性，选取地质编录、TSP、地质雷达以及红外探水4种预报方式综合应用于老鹰山岩溶超长破碎带的预报工作。4类方法分别依据地震波、电磁波、红外场强以及实际开挖面信息进行判别，能够避免单一干扰源，做到优势互补，切实有效提高预报准确率。

1.3 仪器测线布置与判断依据

1）地质编录

地质编录即通过隧道已开挖段岩体特征，包括岩体稳定性、破碎程度、裂隙发育情况以及突水量等，基于岩层延伸性的特点，推断掌子面前方岩层信息。该方法对于断层和破碎带的判断准确率较高，通常据揭露的断层或破碎带走向、倾角，利用基本的三角函数即可预报其影响范围。

2）TSP

TSP方法利用人工爆破引发的弱地震波在岩体中的传播，并通过高灵敏度三分量传感器接收反射波。根据横波与纵波在岩体中传播的特性，基于经验波速与岩层物理力学参数模型，得到岩层杨氏模量、泊松比以及与隧道轴向相交的潜在岩性分界面。同一种岩层中，纵波波速保持稳定，在分界面处发生突变，当波速增大时，说明岩层的密实度、强度、稳定性向好，对应的杨氏模拟变大，泊松比减小，反之岩性变差。

3）地质雷达

地质雷达通过天线发射短脉冲电磁波，并接受经岩层分界面反射回来的反射波，通过反射波的频谱特征实现对岩层，不良地质体空间位置的判断。电磁波传播过程中，遇到不同介质的分界面处发生反射，分界面两侧的介质物性差异越大，反射越加明显。具体表现在雷达波形振幅、频率、能量衰减快慢和同相轴连续性差异等；另外电磁波对富水区域较为敏感，出现相位反向、低频化、分界面发射强烈并随即能量迅速衰减的波形特征。在掌子面上距离地表1.5 m处，同时沿隧道左、右侧壁沿伸20 m布置测线[8-9]（如图2）。

图2 雷达测线布置图Fig.2The survey line layout of GPR

4）红外探水

红外探水是监测岩体自身的红外辐射场强，当岩体中存在含水体时，岩体场强会发生畸变；通过对畸变场强的监测，实现对含水体的预报。通常场强值极差小于10，岩体正常；极差处于10～20范围，岩体中含水体存在可能性小；极差大于20时存在含水体的可能性大。在掌子面布置4伊6共24个红外测点，同时沿隧道拱圈布设7组断面，间距5 m，每组6个测点，探测的顺序依次为左边墙脚、左边墙、顶拱、右边墙、右边墙脚、底部中线（如图3）。

图3 红外探水测点布置图Fig.3The layout of infrared water point

2 数据信号处理与分析

1）TSP超前预报

隧道右幅进入预计破碎带的位置K15+897处（掌子面红褐色薄至中厚层全耀强风化泥岩，吁级）进行TSP超前预报。仪器采用TSP203，布设24个炮点，炮孔间距1.5 m，最终有效炮孔数为20个。信号经过深度偏移成像[10-11]处理后如图4～图5。

图4 TSP信号2D成果图Fig.4The 2D results chart of TSP signal

图5TSP反射层图像Fig.5Reflection layer image of TSP

图4 显示，掌子面前方120 m范围内，围岩纵波速度为1 350耀1 560 m/s；纵横波波速比Vp/ Vs为1.45耀1.65；泊松比为0.35耀0.45；密度为1.55耀1.75 g/cm3，杨氏模量为20耀25 GPa。

K15+897—K15+930密度籽、杨氏模量E局部升高，但绝对值均较低；泊松比滓、纵横波速比Vp/Vs则局部降低；该段岩体破碎，围岩质量差，与掌子面岩性相同，围岩级别依然为吁级。K15+ 930—K15+940密度籽、杨氏模量E、泊松比滓以及纵横波速比Vp/Vs反射面增多，变化幅度相对较大。推测该段围岩稳定性差，存在发育的解理裂隙。K15+940—K15+975密度籽、杨氏模量E以及纵横波速比Vp/Vs均明显升高，泊松比滓降低，该段围岩强度较前段增加，稳定性变好。图5反射层图像中该段反射界面明显减少。K15+975—K16+017段岩体稳定性变差，裂隙发育，局部密集，易发生坍塌及小规模塌方现象。为了直观的描述预报推断结果，4段具体内容如表2所示[12-13]。

表2 TSP预报结果一览表Table 2Table of forecast results of TSP

2）潜在解理裂隙超强预报

根据TSP预报结果，K15+930—K15+940可能存在发育的解理裂隙，因此在K15+920处开展地质雷达，红外探水方式超前预报工作。K15+ 920掌子面编录岩性：深灰～灰色、黄褐色强风化角砾岩，有多道闭合裂隙，充填黏土，掌子面较为湿润。其中拱顶约2 m宽为黑色角砾岩，具体如图6所示。

图6 掌子面地质编录图Fig.6Face geolograph chart

采用劳雷100 MHz屏蔽天线，以点测方式进行探测，时窗350 ns，带通滤波25～250 MHz。掌子面处图像埋深3 m范围内岩层受开挖爆破松动影响，以及施工台车干扰作用，雷达波反射强烈，同相轴错断，图像失真，可参考性差。K15+ 925—K15+929处局部信号振幅放大，且频率减小，推断岩土体含水率大，较为湿润，在K15+ 932处电磁波反射能量明显增强，同相轴连续性好，见图7，判断为较发育的裂隙，与TSP预报的裂隙里程基本吻合，进一步确认了发育裂隙的存在。

图7 地质雷达探测剖面图Fig.7The detection section of GPR

红外探测仪采用HW-304型，对掌子面及其后断面进行探测，掌子面4条测线共24个点的红外辐射场强成图如图8（a）所示，其中最小值为278滋W/cm2，最大值为288滋W/cm2。沿隧道轴线的6条红外辐射场强曲线均近似呈水平线如图8（b）；场强值极差均小于10，根据红外探水含水体的判别条件，推断掌子面前方15 m范围内，无明显含水体存在。

图8 红外探水结果图Fig.8The results image of infrared detection water

在隧道开挖至K15+932附近，揭露的围岩显示存在较发育的裂隙，见图9，与预报结果吻合。

图9 岩体揭露结果Fig.9The results of exposed rock

3 结语

1）采用掌子面地质编录，TSP，地质雷达法以及红外探水技术相结合的综合超前预报方法，在老鹰山隧道超长破碎带超前预报中具有较好的应用效果，对于类似岩溶隧道超前预报工程具有参考价值。

2）通常单一的预报技术手段容易造成误判，综合超前预报方法能够很好克服该问题，对不良地质体的空间位置与几何形态进行探测，有效提高预报准确率，保障施工安全，在隧道超前预报工程中值得推广应用。

3）获得岩溶隧道理想预报效果，现场采集的原始信号质量是关键。对于TSP探测，接收孔底端应反复振捣，确保锚固剂填充密实，顶端同样用锚固剂封堵，确保三分量接收器接收到弱爆破首波；爆破前，炸药塞入爆破孔底端，利用现场自来水封堵爆破孔。雷达探测前波形增益的效果对波形质量影响较大，应反复调节增益参数，使得波形科学合理，同时点测方式测量时，天线应紧贴围岩，保证完全耦合方可采集数据。预报工作还应协调施工工序，减少外界干扰源影响。

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Synthetic advanced prediction technology for super-long broken tunnel in karst area

LIU He-wen1,ZHANG Yu2,GUO Yu-bin1,XU Bin-bin1,YUAN Fang-long1,JIANG Zong-gao3
（1.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of the Ministry of Communication,Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering of Tianjin,Tianjin 300222,China; 2.CCCC Investment驭Engineering Company,Ltd.,Beijing 100000,China; 3.Power China Guiyang Engineering Corporation Ltd.,Guiyang,Guizhou 550081,China）

The projectof Laoying-mountain tunnel located in typical karst area,it would run into super-long broken zone which has 350 m long as passing through the fault.In order to reduce the construction risk of tunnel project,we used forecasting technology to obtain the information in front of face rock layer.At first,according to the geological exploration data and the potential geological disasters in excavation,combined with the characteristics of various geophysical methods,we developed the synthetic advanced prediction technologies for the Laoying-mountain tunnel,includes the following:face catalog,seismic wave method(TSP),ground penetrating radar(GPR)and infrared water.We also analyzed the characteristic of abnormal signal in k15+930 at the right of the tunnel,and verified the results by the actual excavation.The practical application results are proved nice.The related prediction methods,detection methods and signal analysis methods can be used as reference for the prediction for the long broken tunnel in the karst area,and its promotion will have practical significance.

karst area;tunneling;super-long broken zone;synthetic advanced prediction technology

U456.3

A

2095-7874（2017）09-0038-06

10.7640/zggwjs201709008

2016-12-02

2017-08-08

天津市自然科学基金重点项目（16JCZDJC38800）

刘和文（1990—），男，安徽安庆人，助理工程师，岩土工程专业。E-mail：liuhewen123@163.com