铁路岩溶隧道综合超前地质预报方法应用与实践

马金彪

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

在我国高铁建设中，隧道工程往往会受到地形地貌和地质条件的制约，尤其是可能遇到诱发地质灾害的复杂地质条件，不但严重影响施工进度增加成本，甚至会造成重大事故。沪昆高铁贵州段隧道较多，区域内岩溶地貌发育、地质条件异常复杂，因此在隧道开挖施工过程中开展超前地质预报工作尤为重要。

国外在隧道超前地质预报方面的研究开展较早，如超前钻探和声波勘探技术[1-2]、TSP预报技术[3-4]、地质雷达等技术在隧道超前地质预报中效果显著[5-9]。国内隧道超前地质预报工作起步较晚。主要以引进和借鉴国外先进技术[10-13]，但在大量工程实践中积累了丰富的经验，如地震波超前预报系统方面[14-15]、TSP技术应用方面[16-17]。目前国内外学者致力于针对红外探水法无法定量探测含水量及含水体规模大小的技术难题，开展大量研究工作[18-21]。

因此结合沪昆高铁贵州段朱砂堡隧道段地质条件复杂的特点，开展了TSP预报系统、地质雷达、红外线探测等地质预报方法，但每种方法都不可避免存在一定的局限性，并且各有优缺点。因此，通过隧道介质物性特点分析和各物探超前预报方法适宜性对比评价，在地质预报中“以地质分析为核心，通过TSP、地质雷达、红外探水等综合物探与地质分析相结合，洞内外结合，长短预报相结合”的综合预报，建立超前地质预报综合方法体系。为今后的隧道超前地质预报提供借鉴与指导，具有一定的理论和实践意义。

2 超前地质预报各种方法及评价

常见超前地质预报各种方法及评价见表1。

表1 常见超前地质预报各种方法及评价

3 隧道综合预报体系

图1 隧道超前地质预报综合预报工作流程

在综合预报的原则基础上，建立综合地质预报工作流程，如图1所示。首先对隧道区域勘察设计资料收集和研究，利用地面调查、地质素描等方法，确定断层和其他不良地质体在前方大概位置，预测富水段。结合掌子面素描及各种物探方法的适宜性，优化方案组合达到安全、经济、高效的目的。

4 综合预报方法的选择

根据上述隧道超前综合预报原则和体系，结合实际情况，选择一种或多种适宜性好的方法组合(图2)。

图2 预报方法组合

5 工程应用

5.1 隧道工程地质概况

朱砂堡隧道是沪昆高铁长昆段的重要组成部分(图3)，隧址区位于湘黔省界至玉屏之间的三穗县境内，隧道长374 m，最大埋深为55 m，隧道通过地段基岩局部裸露，洞身穿越寒武系下统清虚洞组薄层灰岩夹钙质页岩。节理发育，岩体破碎，围岩条件较差。此外，由于洞身穿越岩体为可溶灰岩，且节理裂隙发育，地下水丰富，导致其岩溶发育强烈，对隧道围岩稳定性影响较大。

图3 沪昆高铁长昆段线路示意

5.2 地质雷达、掌子面素描等综合应用

运用GSSI公司生产的SIR-20型地质雷达技术，对隧道进行了超前地质预报，预报距离设定为15 m，探测预报的范围D2K473+131～+116。因该段开挖后发现溶隙及少量溶隙水发育，因此探明岩体破碎带的位置、宽度及岩溶发育的位置、规模等十分重要。

5.2.1 掌子面地质素描

开挖揭示岩性为灰色薄层灰岩，钙质交结，微晶结构，节理较发育，岩体较破碎，弱风化，岩层产状近约为N8°W/20°S，层面及节理面多呈水锈色，掌子面潮湿，有轻微滴水，图4为掌子面素描，图5为掌子面现场。

图4 D2K473+131处掌子面地质素描

图5 D2K473+131掌子面施工现场

5.2.2 雷达测线布置

根据掌子面现场实际情况，对于布置测线条件较适宜，本次地质雷达探测时，同样沿掌子面成“井”字形布置了4条测线，测线布置如图6所示。

图6 D2K473+131掌子面测线布置示意

5.2.3 雷达图像分析及成果解释

探测得到雷达图像如图7所示。根据4条测线的雷达数据处理结果，显示出如下特征：反射、绕射波组多且杂乱；其延续长度不一，能量强弱不等，频率成分也有明显差异；反射或绕射波组在横向上存在不连续分布；反射或绕射波组纵向上出现在不同时域(或不同深度)范围，部分位置具有延续性。依据上述特征，可以推断在预报范围内岩溶发育，且分布规律性较差。

图7 雷达探测图像

根据掌子面、洞身地质编录情况及地质雷达分析结果，对掌子面前方15 m洞身及周边工程地质和水文地质条件综合分析如下。

(1)D2K473+131～D2K473+129段，预测该段岩性为灰岩，弱风化，节理较发育，岩体较完整，围岩稳定性较好，岩溶弱发育，可能出现渗水、滴水等现象；建议围岩等级为Ⅳ级，并建议采用短进尺掘进，施工时加强支护。

(2)D2K473+129～D2K473+125段，预测该段岩性为灰岩，弱风化，节理较发育，但岩体破碎，围岩稳定性差，且岩溶发育。从雷达图像可以推断该段溶洞主要以泥质充填物为主，可能出现渗水、滴水等现象，工程地质条件较差，建议围岩等级为Ⅴ级。

(3)D2K473+125～D2K473+116段，预测该段岩性为灰岩，弱风化，节理发育，岩体破碎，岩溶局部较发育，亦可能出现渗水、滴水等现象，围岩稳定性较差，工程地质条件差。建议围岩等级为Ⅴ级。

5.2.4 地质雷达预报精度分析

朱砂堡隧道实际预报工作中，隧道进口、出口共计完成地质雷达(GPR)预报409延米/16次，从隧道开挖施工结果可见，此次地质雷达预报的准确率仅为80%。实际开挖过程显示，预报存在出入的地方主要体现在岩溶水赋存及分布情况方面，比如D2K473+131～D2K473+129段开挖时，出现较大水量的溶隙水贮存，预报时只是提示可能存在小股岩溶水存在，并没有准确预报岩溶水赋存的性质。但由于该段开挖过程增加了红外探水预报，提前做好了突水、突泥的防护工作，保证隧道施工正常进行。

5.3 TSP、掌子面素描等综合应用

采用TSP-203系统，对隧道进行303 m的长距离预报，设定预报距离为80 m，探测预报的范围为D2K473+172～D2K473+092段，主要探测不良地质体的分布情况及预报富水带的具体位置。

5.3.1 掌子面地质素描

掌子面出露岩性为灰岩，灰色，薄层状，泥钙质胶结，节理发育且岩体较破碎，呈弱风化状态。掌子面拱顶发育一直径1.5～4.0 m的溶洞，深2～5 m，呈不规则巷道状，大致呈水平状延伸，为棕红色软塑状黏土及块石等充填，掌子面素描如图8所示，洞身发育溶洞如图9所示。

图8 掌子面地质素描

图9 洞身发育溶洞照片

5.3.2 TSP数据分析成果及超前预测

采用TSPWin软件对原始数据进行处理，共使用了其中19个炮孔的接收数据，通过软件分析得到如图10所示的P波深度偏移剖面提取的反射层。结合地质资料、地震波反射资料以及数据处理资料，反映地震反射波显示出如下特征。

图10 P波深度偏移剖面及提取的反射层

预报范围内岩溶发育，分布规律性较差，且局部围岩破碎，稳定性较差。根据掌子面、洞身地质编录情况及掌子面前方物性及异常二维示意图(图11)等TSP系统预报分析结果，并结合测区工程及水文地质条件，对掌子面前方80 m洞身及周边工程地质和水文地质条件进行综合分析预测，结论如下。

图11 掌子面前方物性及异常二维示意

(1)D2K473+172～+157段：该段岩体较破碎，弱风化，岩溶较发育，围岩稳定性较差，岩溶水、溶洞发育的可能性较大；开挖掘进时存在突水、突泥的可能，左侧拱顶及边墙可能会出现掉块等围岩失稳现象。

(2)D2K473+157～+142段：该段岩体较破碎，弱风化，岩溶渐趋发育，围岩稳定性较差，岩溶水、溶洞发育的可能性较大，很可能存在隐伏含水构造，岩溶水发育及渗水量规模不确定，开挖时注意观测渗水量的变化，做好出现突水、突泥现象准备的措施。

(3)D2K473+142～+129段：该段岩体较完整，岩溶弱发育，围岩稳定性好，岩体中有小型溶蚀沟槽、溶孔发育的可能，存在出现岩溶水局部发育的可能。

(4)D2K473+129～+092段：该段岩体破碎，弱风化，岩溶较发育，围岩稳定性较差，岩溶水、溶洞发育的可能性较大，存在突水、突泥的可能。

在本段施工中建议采用短进尺掘进，同时加深炮眼和加强水平钻探，进一步验证预报结果，并做好岩溶水(泥)突然涌出、空洞出现造成操作面临空等的应对措施，确保安全。

5.3.3 TSP预报精度分析

本次朱砂堡隧道共计完成 TSP超前预报4次，总长335 m，从TSP系统记录的反射界面来看，约50%的里程段出现较为集中的反射界面，说明隧道前方存在一定范围的岩体破碎带及岩溶发育带等不良地质体。从随后开展的隧道开挖施工结果可以看到，预报准确率80%。D2K473+172～D2K473+092段的超前预报效果良好，其中，D2K473+172～+157段，开挖时出现了围岩掉块现象，并根据预报采取了相应的措施；D2K473+157～+142段岩溶发育最为强烈，溶隙水水量较大，与预报时推断结果一致；而D2K473+142～+129段和D2K473+129～+092段的情况基本相似，可见小型溶洞及溶隙发育，岩溶水赋存较少，出现轻微渗水现象；开挖时根据超前预报建议，设计了较充分的支护及防突水措施，并没有影响隧道的施工工期。

5.4 红外探测法、掌子面素描等综合应用

采用HW-304隧道用红外探测仪进行探水超前预报，探测隧道掌子面前方30 m范围内有无构造裂隙、溶洞等隐伏含水构造。探测预报的范围为D2K473+123～D2K473+093段。

5.4.1 掌子面地质素描

掌子面岩体较完整，呈弱风化，层理及节理面多呈水锈色，主要发育两组节理，节理面光滑且密闭。岩体较破碎，弱风化为主，层理面多呈水锈色，掌子面潮湿，有轻微滴水；岩溶发育，开挖过程中成碎块状，掌子面地质素描见图12。

图12 D2K473+123处掌子面地质素描

5.4.2 红外探测成果与预报分析

根据现场红外探测数据，准确绘制了隧道掌子面后方轴线方向55 m洞身周围红外探测曲线，以及掌子面处红外探测曲线，如图13、图14所示。

图13 掌子面后方沿轴线55 m红外探测曲线

图14 掌子面红外探测曲线

由图13可知，洞身红外线探测值波动在正常范围内、变化范围较小，末端受现场施工环境影响探测值有异常变化；而图14所显示的掌子面探测值变化范围也不大，变化范围在安全范围内。因此，开挖面后方洞身周围没有危害隧洞安全稳定的大型含水构造或水体存在，而开挖面前方D2K473+123～D2K473+093段30 m范围内地下水受岩石裂隙控制，整体渗水量变化不大，洞身仍以局部渗水、滴水为主，掌子面渗水量与现阶段类似，局部渗水量可能有所变化，前方存在较大储水构造的可能性较小，但不排除局部有少量岩溶水富存的可能性。建议在施工期间加强监测渗水情况，并准备好相应的防水、排水设施。

5.4.3 红外探水法预报精度分析

红外探水工作共计完成预报长度360 m，共计12次，主要反映隧道掌子面前方及侧壁周边的地下水含水量赋存情况。由随后的隧道开挖掘进过程中可见，此次超前红外探水预报的准确率约为83%。D2K473+123～D2K473+113段开挖时，可见较大水量的溶隙水流出，但并没有表现出较强的承压性质，危害性质不大，只需采取简单排水措施，便可顺利施工。D2K473+093附近处遇到了岩溶水富集现象，为岩溶裂隙水且水量较大，由于提前做好了防水、排水工作，并没对隧道施工造成较大影响。

5.5 超前水平钻探

根据各物探方法与掌子面地质素描综合预报资料，需要进一步探明掌子面前方工程地质及水文地质情况，在朱砂堡隧道D2K473+152进行了超前水平钻探。本次实施钻孔4个，总进尺150 m(表2、图15)。

表2 超前水平钻探参数

图15 超前水平钻布置

通过此次超前水平钻探，初步探明了朱砂堡隧道掌子面前方D2K473+152～092段地质情况，初步得出以下结论：D2K473+152～122段岩性为灰岩，弱风化，节理较发育，岩体破碎，局部节理有泥质充填。D2K473+122～D2K473+092段岩性为灰岩，弱风化，节理较发育，岩体较完整，局部节理有泥质充填。

6 结语

(1)总结隧道中常用的物探超前预报方法，如地质雷达法、TSP、红外探水等分别评价其对断层、破碎岩体、富水情况、溶洞等不良地质情况的反应特征和适宜性，为超前预报选择适宜的物探方法提供依据。

(2)通过以上研究表明，地质雷达法适用于存在断层、破碎带、溶洞及特殊地层分布的地区，而对掌子面前方地下水分布及发育情况的探测不够精确，需要辅助红外探水或者超前钻探技术联合预报；TSP系统预报适用于对隧道断层、软弱岩体、破碎带、岩溶洞穴溶隙的预报；超前红外探水法适用于对含水构造发育位置、分布及含水量大小的探测，准确率较高，但不能准确测定含水量的大小。

(3)朱砂堡隧道的超前预报情况分析表明，以地质分析为核心，综合物探与地质分析结合、洞内外结合、长短预测结合的综合预报为原则，以及完善的预报工作方法体系，可使朱砂堡隧道预报的成功率基本达到80%，开挖过程中没有发生一起围岩坍塌或突水突泥事件，获得了良好的预报效果，确保了施工安全，取得了较好的经济效益。