基于综合超前地质预报方法的岩溶隧道施工探讨

张海奇

（广东阳茂高速公路有限公司，广东 阳江 529800）

隧道施工是交通网络中较为重要的组成部分。开凿隧道是山区交通线路施工中必不可少的环节，随着交通线路的扩张，隧道的长度也在不断增加，跨度也随之得到了增长。复杂地质下隧道的开挖面临着较大的风险，尤其是在岩溶地带的隧道施工中，更容易发生坍塌等安全事故。文章结合相关施工经验，对某隧道开挖过程中综合超前地质预报的应用进行了探讨，旨在为相关领域的施工研究提供具有价值的参考资料。

1 工程概况

在中低山地区中有一个隧道，其施工区域最低高度可达460m，最高部分可达870m，该工程的相对高差最小可达到200m，最大可达到400m。在施工中，这个隧道洞身的地质为可溶岩岩层，也可以称其为岩溶垄岗地貌。此外，在隧道的两边分布着沟谷坡地，中间区域地质条件为垄岗。该隧道的起点可记作DK136+997，终点为DK138+871，其总长度达到1.874km。本隧道中有一段双线隧道，其直线部分的起点为DK136+997，终点为DK137+648.643，埋深最大可达到0.355km，其余标段位于曲线上，曲面半径达到6km。

2 岩溶隧道超前地质预报内容

（1）预报内容包括对各级岩层进行预报，这些数据可以作为判断整个岩层稳定性能的重要依据，根据这一预报有助于对设计中的支护类型进行优化，便于确定二次衬砌达到最佳施工效果的施工时间[1]。

（2）借助于勘测开挖掌子面所对应的地质条件来预测其前方的岩层，主要关注是否存在溶洞，若存在，对其规格大小、洞内填充物的状况进行预判，综合考虑这些地质条件是否会对工程的施工产生安全威胁，之后根据这些预测报告确定与之相适应的解决方案，以确保施工的顺利开展。

（3）对隧道岩层的水文情况进行预报，主要判定在施工中是否可能出现涌水现象，以及在上述现象发生之后是否会影响整个施工过程，并给出相应的解决方案[2-3]。

（4）监测施工区域内是否会产生有害气体，以免影响施工的安全系数。

3 综合超前地质预报方法的应用

3.1 地质调查法

合理地使用地质调查法是在岩溶隧道中开展综合超前地质预报的基础。施工人员运用地质调查法，通过查探地质档案、记载的勘察资料等方式大致了解施工区域的地质情况，之后借助赤平极射投影法，在相关地质理论的辅助下判断每个施工段的地质条件，便于在不同的地质环境下选择合理的探测方法。

3.2 地质雷达法

地质雷达法又称地磁波法，该种勘测方法的探测系统由两部分组成，即天线的发射和天线的接收。天线的发射指其产生的广谱电磁波可以探测到地下介质。在不同的岩性地质中所产生的介电常数是不一样的，因而可通过分析介电常数来分析岩层地下水的发育情况，及时掌握岩溶地貌的情况[4]。其具体的原理图如图1所示。

图1 雷达探测原理图

通过这种探测方法可以绘制出电磁反射波普图，施工人员对该图进行解译，制成对应的地质条件报告。本隧道中岩溶的情况比较复杂，既有地表产生的溶蚀地貌，又有大型的溶洞，体积较小的溶丘散落分布在岩溶洼地中。

鉴于上述内容，可以采用雷达探测的方式来详细了解隧道中的溶蚀情况。本工程的雷达探测主机型号SIR-20，该雷达探测机由美国研制开发，增添了具有屏蔽功能的天线，其屏蔽频率为100MHz，目的是为了增加探测的次数，使之探测出的情况与实际的开挖情况形成对比，减少施工的失误。正常情况下，当所探测的地层为溶蚀破碎地带、岩溶管道等地方时，获得的反射信号是相当强的，这样一来可以准确地识别出该施工区域的水分。使用这种探测方式唯一的缺点是探测的深度容易受到地质条件的影响，一般只能探测到深度为20m左右的地质环境，若探测区域地质条件较差，只能探测到深度为15m左右的地质环境。在不同岩层中岩性的变化和构造的破碎会使得地震波在传播的过程中发生变化，因而在隧道的上部和下前方会产生地震波的反射，在这种情况下产生的声阻抗与正常地质条件下产生的声阻抗有很大的区别。在岩层的两侧产生的声阻抗差异越大，意味着界面上地震波所受到的反射越强烈，反之则弱。

3.3 TSP地震波反射探测法

TSP地震波反射探测法适用于不均匀的地质环境，因而在施工中可以借助人工开挖侧壁的方式使微型震源的排列比较规则，进而激发地震波使之以球面扩散的方式传递到溶岩隧道，扩散的地震波被接收器接收，并产生不同的波形，这种波形的变化即为勘测到的地质条件的变化。相关的施工人员分析接收的波纹的传播速度，勘测地震波的强度，分析其延迟的时间，记录其传播路径，再结合专业的地质分析理论可以全面了解岩溶隧道中围岩的地质条件。

本工程中在掌子面中出现了平面形状的溶洞，使用TSP探测，可以增大对溶洞情况的了解程度。如果出现的溶洞形状并不规则，各有差异时，继续使用TSP地震波反射探测方法将很难探测出实际的地质条件。因而需要结合具体的施工实际来选择探测方法，充分发挥其优势所在。TSP探测原理图如图2所示。

图2 TSP探测原理图

3.4 超前水平钻孔法

超前水平钻孔法也是综合超前地质预报中的重要组成部分[5]。这种地质勘测的办法需要借助钻机钻探来完成对隧道掌子面位置的地质勘测工作。在钻探的过程中需要参考相关的数据资料。根据地质条件的不同，诸如在断层带探测施工地质条件、在瓦斯隧道探测施工地质情况等，可以采用两种钻探方法进行勘测：一是取芯钻钻探，二是冲击钻钻探。本工程属于岩溶隧道，在施工中为了增强钻探施工的准确性，布孔时需在掌子面上依据参考数据均匀布置，还需控制孔的位置及钻探的角度，这样才能确保钻孔施工顺利勘测出施工区域的地形条件。除此之外，在钻孔的过程中要全程监测，注意记录钻孔的施工效率、出水量，这样才可以为判定探测区域的地质条件提供准确的参考数据。

3.5 瞬变电磁法

瞬变电磁探测技术本质上指时间域电磁法，基本原理在于发射电流方波，此过程中该波形在下降的瞬间将沿电流方向产生一次瞬变磁场，在此环境下围岩将形成涡流，并且具有围岩导电能力与涡流大小呈正比的变化关系。瞬变磁场消失后，感应涡流进入过渡衰减阶段，此时将形成二次感应磁场，通过小线圈便可接收该感应磁场，以所得的接收结果为依据准确判断围岩介质情况。

由于现场施工条件复杂，隧道施工空间较为狭小，超期预报工作的开展难以获得充足的空间支持，故易出现超前预报进度受阻、所得结果精度不足等问题。而小线圈瞬变电磁则正好解决了此类问题，其具有体积小、探测精度高等优势，在隧道物探中具有显著的应用效果。小线圈瞬变电磁法可应用到岩溶洞穴、围岩等地质环境中，由此实现超前预报。在合理应用瞬变电磁法后，可根据所得结果进一步输出图形，其主要包含两种情况，各自都有其独特之处。一是岩溶隧道充水，此时视电阻率在溶洞充水区域发生较大幅度的下降，相较于周边区域而言其明显偏低，视电阻率等值线则具有闭合的特点，若岩溶破碎较为明显，则视电阻率等值线的分布密度更大。二是岩溶隧道不含水，此时视电阻率表现出高阻的特征，即视电阻率值大幅度提升，通过对视电阻率等值线的分析可知，其在岩溶破碎区域分布更为密集。依托于瞬变电磁的多解性特征，再综合考虑地质勘查等方面的资料，能够对地质状况做出较为准确的判断，依次为依据合理组织施工作业，创造安全的施工环境。

4 结束语

综上所述，岩溶地层的特殊性在无形中增大了施工的难度，使得工程施工的安全系数受到很大的影响。对此，可以使用综合超前地质预报来增强施工地质监测的准确性，全面地预测施工区域的地质条件，对不良地质条件采取合理的应对方案，避免施工中出现较大的安全事故。文章所提及的综合地质超前预报取得了良好的监测效果，具有很大的推广价值。