岩溶隧道富水段超前地质预报及施工处理技术

熊雄

隧道富水段超前地质预报指的是在隧道施工过程中通过对隧道洞内外的地质与构造调查，并根据相关的分析结果，通过地球物理探测方法对隧道掌子面探测，并运用地质学、物理学等的相关知识，结合预报人员的工作经验，对隧道在施工过程中可能发生的安全隐患和地质灾害给予判断和预报。在此基础上，可根据判断和预报结果，并制定科学预防与施工处理方案。因此，超前地质预报是隧道施工过程中一个十分重要的环节，尤其对于岩溶隧道富水段来说，探测溶洞的大小和水量情况不仅直接关系着施工人员的人身安全，更在一定程度上决定着工程项目经济效益的实现。

一、案例概况

某岩溶隧道全长3250m，为国家Ⅱ级风险隧道，经现场勘查得出：该隧道中的大部分段落处于可岩溶地层内，地质条件、水文特点复杂，涌水突泥等的安全风险较高。但本项目在施工过程中始终遵循“物探先行、钻探验证、先探后掘、不探不掘”的原则组织和开展施工。与此同时，采用超前地质预报对隧道掌子面、隧底实施综合探测，可以准确了解和掌握隧道所在区域内的地质、水文、溶洞大小等的情况，超前地质预报在本隧道岩溶富水段的施工处理技术方面奠定了坚实的基础。

二、岩溶隧道富水段超前地质预报

本隧道为国家Ⅱ级风险隧道，按照Ⅱ级风险隧道开展超前地质预报，通过多种预报方式综合预报。

1.TSP203地震波法

TSP203地震波法指的是在隧道掌子面后方一定距离内的钻孔内中，先利用微震爆破发射信号，再由爆破引发的地质波于隧道岩体中以球面的形式向四周传播，并经过隧道前方界面反射回来的一种测探方法。利用TSP203地震波法每次最多可测得250m，为了保证超前地质预报的准确度和精确度，可通过重叠式预报，每开挖150m预报一次，将每次探测情况在重叠部分进行对比分析。

根据对TSP203地震波法数据的处理和分析结果认为：本隧道掌子面（DK135+508）前方约120m处的岩溶主要为浅灰色的白云质岩，同时受区域内地质构造影响岩体比较破碎，且伴有节理破碎、熔岩裂隙以及断层影响带发育其中，围岩稳定性较差，地下水较多，出水形式主要以点线状为主，局部范围为股状出水。

2.地质雷达法

通过地质雷达法对本隧道开展短距离探测，地质雷达法下每一次的预报距离为30m，搭接长度不得小于5m，主要用来探测本隧道掌子面前方地质条件和水文特点等的情况。根据地质雷达图谱与地质调查综合分析得出：本隧道掌子面前方30处的电磁波能量比较均匀，局部反射界面比较明显。由此可以得出：掌子面前方岩溶中的节理裂隙、局部破碎以及自稳能力较差。

另外，本隧道的D3K135+505～D3K135+508段反射波出现异常，推测该地段发育溶腔内有岩溶发育其中，出水方式以线流和股状为主，建议在本段实施超前水平钻方式，可以有效防止和减少突水和突泥等地质灾害的发生。

3.红外探水

某日，相关测试人员通过红外探水对本隧道D3K135+508～D3K135+463掌子面前方进行了测试，主要测试内容包括掌子面前方的地质条件、水文特点等的情况。

图1 DK135+508隧道掌子面前方红外探水曲线示意图

4.加深炮孔揭示熔岩水过程

在对本隧道线路右侧掌子面（DK135+508）的底板处使用加深炮孔掘进至6.2m后发现：探孔内的涌水形式为股状水，且水质清澈伴有少量杂物，水压较高，无法更进一步地向前掘进，经过工作人员测量，该段的涌水量为2200m3/h，检测水压高达1.65MPa。

三、岩溶探测

本隧道掌子面（DK135+508）在探测出前方具有高压富水情况后，立即进行了超前水平钻探及隐伏岩溶探查的相关补充工作。

1.超前水平钻探

在施工现场，施工人员根据加深炮孔涌水情况分别于本隧道的掌子面布置了5个钻孔，孔位布置图如图2所示。其中，相关的施工要点为：（1）当1号钻孔钻进至16m时，涌水量较大，岩溶以浅灰色灰岩为主，钻孔深度22m，用时132min，钻速一般；（2）2号钻孔钻进至20m时，涌水量较大，岩溶以灰白色岩浆为主，钻孔深度26m，用时180min；（3）3号钻孔钻进至20m时，涌水量较大，压力较大，岩溶以白色岩粉为主，钻孔深度28m，用时128m，钻速较慢；（4）4号钻孔钻进至16m后，涌水量较大，水压较高，岩溶以灰白色岩粉为主，钻孔深度20m，用时135min，钻速较慢；（5）5号钻孔钻进至36m后，涌水量较大，水压较高，岩溶以灰白色为主，钻孔深度34m，用时257min，转速方式为局部突进。

图2 钻孔孔位平面布置图

2.隧道周边隐伏岩溶勘查

为保证掌子面施工人员的人身安全，需在掌子面后方（DK135+553）断面流水处附近利用凿岩车于每一孔位处再分别施作3个深度为10m的径向地质探孔，钻孔过程未见异常，且无隐伏岩溶，径向探孔内的涌水量基本没有明显变化，仅有少量的出水为岩溶裂隙水。

3.岩溶探测结果讨论

通过对以上钻进情况分析：本隧道掌子面前方35m处，钻进过程中基本没有出现卡钻现象，钻机速度均匀，仅仅局部有突进现象，钻孔深度基本在20～30m后，孔内有大量涌水，水量由小逐渐变大，水质清澈，伴有少量杂质，其中岩溶裂隙水为黄色泥浆水，持续时间较短，为10min左右。

四、处理技术及施工效果

根据以上探测分析得出：本隧道掌子面前方即周边没有大型岩溶。因此，对于本隧道掌子面（DK135+505～DK135+508）段可以采用超前支护、初期支护以及单侧壁导坑开挖等施工处理技术。

本隧道从方案确定至完成开挖再到岩溶处理用时共计用时6 8 d，目前已经安全通过DKl35+505～DKl35+508岩溶隧道富水段，本工程项目所在区域内的地质条件、水文特点基本与施工处理方案一致。其中，超前地质预报特别是超前水平钻探在该段岩溶探测施工方案的制定方面发挥了重要的作用，从根本上保证了本隧道开挖的顺利推进和施工人员的人身安全。

五、结语

综上所述，在对本隧道的超前地质预报工作中，通过全体工作人员的不断探索、实践和总结，现已形成了以超前水平钻探为主，隧道周边隐伏岩溶勘查为辅的“多手段和多层次”的综合式超前预报技术和施工处理方案。以此为基础对岩溶隧道富水段开展超前地质预报，成功地穿越了本隧道进口工区岩溶富水带。另外，通过对本隧道富水段的施工实践表明：对于岩溶隧道富水段复杂的地质条件和水文特点，采用超前地质预报手段可清楚地了解和掌握隧道掌子面前方岩溶的变化情况，可有效避免由于不清楚地质条件而造成的地质灾害发生，保证施工人员人身安全和本项目的顺利开展。