综合超前地质预报法在岩溶隧道的应用

张博宇

(广西河百高速公路有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

超前地质钻孔能够对施工勘察与物探成果进行确认，并能够直接探明隧道掌子面前方岩溶不良地质规模与充填情况，同时可以作为跨孔电阻率CT探测的作业空间。因此超前地质钻孔贯穿整个隧道施工过程，钻孔的位置、孔深、数量、取芯等可根据勘察资料与物探成果综合分析确定。超前地质钻孔采用意大利卡萨格兰地公司生产的C6多功能钻机，该设备钻孔深度达100 m，配备LUTZ钻进数据实时采集系统及分析系统，同时具有可以通过钢丝绳取芯、岩土层连续取样钻进的优点，可进一步探明岩溶区隧道掌子面更大范围的不良地质情况。本文为风险地层的防护及处理方案提供依据与参考，可以有效规避施工风险事故的发生。

1 工程概况

河池至百色高速公路位于广西西北部，地处云贵高原台地东部边缘。地势西北高、东南低，路线大致呈北东～南西走向。主要地貌类型有剥蚀低山丘陵地貌、岩溶峰丛洼地地貌两种，部分地段为河流峡谷及河流阶地堆积地貌。

依托工程河百高速平坎隧道总长3 267.5 m，由平坎隧道前段、平坎隧道后段组成。平坎隧道前段左洞起讫桩号Z4K31+050～Z4K31+905，长855 m；右洞起讫桩号K31+015～K31+870，长855 m。平坎隧道后段左洞起讫桩号Z4K32+035～Z4K34+320，长2 285 m；右洞起讫桩号K31+985～K34+280，长2 295 m。

该段主要地貌类型为岩溶峰丛洼地，山峰林立，其间发育溶蚀洼地，山峰与洼地相对高差大，地势较高、地形起伏大，自然坡度35°～70°，部分近直立。山峰多基岩裸露或少量植被覆盖。

2 综合超前地质预报法流程

岩溶预报以地质调查为基础，以超前钻探为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报(见图1)。宏观指导微观，长距离指导短距离，见图2。

图1 综合岩判流程图

图2 探测距离对比图

TSP：通过接收地震波遇波阻抗差异界面(断层，岩性变化)反射信号(100～150 m)。

地质钻探：作业深度一般取50～100 m，根据钻机成孔采集数据，准确地反映前方待开挖面的地层状况，为风险地层处理方案提供依据与参考，有效规避施工风险。主要数据采集：钻孔深度、速度；钻孔回水、渣样；钻杆转速、扭矩；旋转压力、推进力。见图3。

图3 EXEPF数据分析系统示例图

地质雷达：时间域脉冲雷达，电磁波双程走时(27 m)。

超前炮孔：钻孔深度取6 m，外飘角取30°，对即将开挖围岩精准探测，并确保下循环持力层厚度。

地质素描：内容包括掌子面围岩风化程度、岩质坚硬程度、岩体结构类型、地质构造面发育情况、节理和岩层产状、裂隙充填物及裂隙水，对掌子面围岩进行精准分级。

2.1 工程实例ZK32+989溶腔探测

平坎隧道后段左洞出口端(百色端)开挖至Z4K32+989时，距贯通(进口端突泥桩Z4K32+793)还剩196 m。隧道未开挖段最大埋深240 m。综合掌子面围岩情况、TSP、超前地质雷达预报及超前地质钻孔情况，推测Z4K32+989掌子面前方大概9～30 m范围(Z4K32+980～Z4K32+960段)极有可能发育一个大型富水软塑性泥质物充填型溶洞。具体探测情况如下：

(1)TSP探测结果ZK33+000～Z4K32+876，探测124 m，显示Z4K32+989～Z4K32+976节理裂隙，溶蚀裂隙较发育，局部宽张裂隙发育；Z4K32+976～Z4K32+948节理裂隙，溶蚀裂隙发育，有泥质夹层，其中Z4K32+952～Z4K32+948溶蚀腔体发育，腔内软塑状泥质物、裂隙水充填；Z4K32+948～Z4K32+935节理裂隙，溶蚀裂隙较发育，局部宽张裂隙发育。

(2)地质雷达探测结果Z4K32+989～Z4K32+962，探测27 m。节理裂隙、溶蚀裂隙、构造面发育，有泥质夹层；Z4K32+978～Z4K32+972溶蚀腔体发育，腔体内由可塑～硬塑状黄泥充填，围岩大体较破碎；Z4K32+972～Z4K32+961节理及溶蚀裂隙发育，局部宽张裂隙发育。

(3)超前C6地质钻机地质探测，钻孔布置图及钻探结果见图4。

图4 Z4K32+989掌子面超前钻孔布置图

1号孔(仰角15°，偏角0°)钻孔深22 m，钻至9～22 m段为黄泥充填型溶洞，并存在孤石，由于孤石较多，无法继续钻进。

2号孔(仰角13°，左偏15°)钻孔深50 m，钻至13～21 m段黄泥夹层及充填型溶洞发育，21～50 m段为灰色硬岩。

3号孔(仰角15°，左偏角15°)钻孔深40 m，8～26 m断续黄泥夹层发育，钻至28 m时，有大量黄泥水喷出，水流量约6 m3/h，总出水量约100 m3，由开始的黄泥水变化为清水；水量明显减小后，再对其加深钻探，28～50 m段为灰色硬岩，另对其长期观察显示，3号孔出水量根据降雨变化。

4号孔(仰角15°，右偏角15°)钻孔深40 m，13～17 m段软塑性泥质物充填，并夹杂块石发育；18～32 m段，塑性黄泥全充填；32～40 m段为硬岩。

5号孔(仰角0°，右偏角15°)钻孔深46 m，15～26 m段，断续黄泥夹层；26～33 m段软塑状泥质物充填溶洞；33～46 m段为灰色硬岩。

6号孔(仰角0°，偏角0°)钻孔深26 m，11～23 m段为断续黄泥夹层，其余为灰色硬岩。

7号孔(仰角0°，偏角0°)钻孔深40 m，15～23.3 m段，黄泥充填溶洞；25～40 m，灰色硬岩。

8号孔(仰角-15°，右偏角15°)钻孔深40 m，基本为灰色硬岩。

9号孔(仰角10°，右偏角15°)钻孔深20 m，10.5～16 m为空腔；16～20 m为黄泥充填溶洞，并可能夹孤石，易卡钻，无法继续钻进。

操作过程要注意以下三点：

①钻探布孔：常规布孔6个，根据TSP、地质雷达以及掌子面围岩情况增减。

②钻探搭接：地质钻探外飘角度为15°，实际施工中约于10 m处进入隧道轮廓线外，为拱顶持力层探测盲区，故设定10～15 m为搭接长度。

③超前炮眼的必要性：超前地质钻探为中长距离宏观控制，有不可控因素，超前炮孔加强探测，确保探测准确性。

(4)地质素描方面，掌子面揭露围岩为中风化灰岩，中厚层构造为主，岩质较坚硬，节理裂隙发育，裂隙微张。主要发育三组裂隙，裂隙内由少量泥质物充填，裂隙面光滑，呈铁锈色；同时发育多组褐色岩脉，主要一组脉宽20 cm，产状195°∠50°，铁矿物质及泥浆浸染；掌子面围岩局部较破碎，含弱裂隙水，自稳能力一般，易掉块。见图5。

图5 掌子面地质素描示意图

(5)综合判断结果

综合超前地质预报结果见图6～8。

图6 钻探结果纵剖面图

图7 钻探结果平面投影图

图8 Z4K32+989岩溶段三维模型示意图

3 结语

隧道深埋地下，工程地质和水文地质条件复杂、多变。在勘测设计阶段要完全查明隧道工程的岩体构造、状态、特性，特别是不良地质体的确切位置、规模等存在较大困难。本文通过在工程施工中综合各类探测(尤其是C6XP多功能钻机)情况以及地表地质调查、图纸资料核查，对平坎隧道的岩溶发育情况有了比较清晰的判断。根据此判断最终采用超前大管棚+衬砌加强支护的方案，顺利通过了岩溶发育区，确保了安全。此综合超前地质预报法可为岩溶隧道施工提供借鉴及参考。

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