综合超前地质预报技术在贵南铁路岩溶隧道中的应用

王玉琴，高树全>

(中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610000)

1 引 言

岩溶在西南地区发育分布广泛，是西南地区铁路建设中的主要工程地质问题之一。随着西南岩溶地区地下工程日益增多，地下工程施工中遭遇岩溶灾害的机率大大增加，特别是在长大深埋岩溶隧道建设过程中，经常遇到突泥涌水、岩溶塌陷等不可预见的地质灾害，造成人员伤亡、财产损失及工期延误等不良后果，严重影响着隧道施工的安全性和高效性。为了降低隧道的施工风险，保障隧道施工安全，施工前均开展超前地质预报工作，用以查清隧道开挖工作面前方的工程地质及水文地质条件。

隧道超前地质预报技术发展至今，已经形成了一套完备的技术体系，特别是综合超前地质预报技术在岩溶预报方面的应用，建立了隧道超前地质预报“洞内外结合，以洞内为主；长短结合，以短为主”原则[1]；在岩溶发育与致灾理论上，开展了岩溶灾害机理与预报技术相结合的综合研究，提出了防治岩溶突水突泥灾害的技术措施与预报体系，解决了岩溶发育随机性和复杂性与物探探测结果之间的多解性问题，提高了隧道突涌水致灾地质构造探测的准确性[2-4]；在技术方法上，不断发展了适用于隧道狭窄空间探测的先进物探探测技术，研究了各种参数组合或方法组合，提高了复杂岩溶隧道超前地质预报方法组合的针对性[5-8]。本文在前人的研究基础上，研究了地质调查与勘探相结合、物探与钻探相结合的综合超前地质预报方法在贵南铁路岩溶隧道建设中的系统性应用，并取得了良好的效果。

2 工程概况

贵南高铁线路穿过黔桂高原过渡带及桂西岩溶峰丛洼地、峰林平原区，地质条件复杂，岩溶不良地质特别突出，隧道的施工风险高。九万大山一号隧道是贵南铁路I级高风险长大隧道，是全线控制性工程，位于广西盆地向云贵高原延伸的贵州高原斜坡带，属贵州高原中低山剥蚀地貌和溶蚀丘峰洼地地貌，主要穿越二叠系下统茅口组和栖霞组灰岩、石炭系上统马平组灰岩、石炭系中统黄龙组灰岩夹白云岩等可溶岩地层，地下水以第四系土层中的孔隙水及基岩裂隙水、岩溶管道水为主，下穿19个与隧道工程关系密切的地表洼地，并上跨4条暗河，极有可能发生涌水突泥问题。

3 超前地质预报实施方案

常用的隧道超前地质预报方法主要是地质调查法、物探法和超前钻探法[9]。

3.1 地质调查法

地质调查法是一种适用于各种地质情况的隧道预报方法，它是根据隧道地质勘察资料和洞内地质调查，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析法，将地表勘察的地层岩性、地层分界线及地质构造线与隧道进行相关性分析，推测开挖工作面前方地质情况的超前地质预报方法[10]。

3.2 地震波反射法

地震波反射法是利用人工激发的地震波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道掘进工作面前方地质情况的一种方法，能对隧道前方具有较明显波阻抗差异的地层界线、构造破碎带、大型溶洞及含水带等进行较准确的探测与判定[11]。作为长距离预报手段(预报距离一般在120 m左右)，它具有划定异常规模范围、提前预警及指导中短距离预报实施的优点[12]。

3.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场，通过对该二次场的空间和时间分布的分析来认识有关地质问题[13]。瞬变电磁法是基于电性差异来划分不同岩性地层、构造破碎带等异常体，属于时间域的电磁感应方法，其瞬变曲线衰减的快慢与目标地质体的导电性有关，且对低阻体(特别是水体)反应灵敏，根据这一特性用以探测隧道前方的水文地质情况[14](预报距离一般在80 m左右)。

3.4 地质雷达法

地质雷达法是通过分析反射电磁波的振幅、频率、强度、双程走时等参数信息对围岩(如：溶洞、含水体、岩性分界面等)性质进行解释的方法(预报距离为20～35 m)[15]。地质雷达法具有探测速度快、占用施工时间少、成果直观等优点，并能对常见的溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道等进行有效预报，被广泛地应用于岩溶隧道超前地质预报[16,17]。

3.5 超前钻探法

超前钻探法包括超前地质钻探和加深炮孔探测。超前地质钻探是利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探来获取地质信息的一种超前地质预报方法。一般采用冲击钻，必要时采用回转取芯钻。在采用冲击钻时，是根据钻进特征(冲洗液颜色、流量变化、卡钻位置、突进里程及冲击声变化等)进行地质情况判识。常规预报距离为30～50 m，也可根据钻机性能及解决地质问题的需要采用100 m以上的钻孔。

加深炮孔探测是利用风钻或凿岩台车等在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息，其预报原理与冲击钻相同。加深炮孔在岩溶隧道普遍采用，尤其在岩溶发育区，一般规定加深炮孔应较爆破孔(或循环进尺)深3 m以上，且带有一定的外插角，以便在临近不良地质体时能及时发现前方存在的不良地质情况(预报距离为5～8 m)。

综合九万大山一号隧道岩溶地质情况和各类预报方法的适用条件和优缺点，依照岩溶预报以地质调查法为基础、超前钻探法为主、辅以多种物探手段进行综合超前地质预报的原则，超前地质预报实施方案采用如表1所示的组合方式，隧道综合超前地质预报实施流程如图1所示。

表1 不同岩溶地质条件下的预报方法组合方式

图1 隧道综合超前地质预报实施流程Fig.1 Implementation flow chart of tunnel comprehensive geological prediction

4 综合超前地质预报技术的应用实例

本应用实例为隧道含水溶腔预报，实例工点位于九万大山一号隧道出口平导PDK192+438处，施工掘进方向由大里程至小里程。根据本工点岩溶发育情况，超前地质预报组合方式适用于表1中的类别Ⅴ，即采用地质调查法、地震波反射法、地质雷达法、超前地质钻探及加深炮孔，并在实施过程中根据地质情况进行预报方法的动态调整。

4.1 地质调查分析

九万大山一号隧道PDK191+950～PDK192+850段洞身走向为NW22°～NE8°，埋深250～390 m，基岩为石炭系中统黄龙组(C2hn)灰岩夹白云岩，岩层产状为N20oE/17oNW。本段岩溶强烈发育，其地表附近分布7个洼地(分别是崂山村5#、6#、7#、9#、10#、11#、12#洼地)，洼地均无积水，消水通畅，未见明显落水洞、漏斗。施工揭示PDK192+850～+438段岩体完整，岩性为灰岩，

呈灰白色，中厚层状，产状为N21oE/16oNW，节理发育密集，方解石脉充填，层间结合度较好。

4.2 地震波反射法

对PDK192+515～+400段进行了地震波反射法探测，在PDK192+524.5～+559.1段的右边墙，按约1.50 m的间距布置24个激发孔分别激发地震波，孔深1.40～1.60 m不等，均采用炸药作为激发震源，在PDK192+572.8的两侧边墙位置分别布置地震波信息接收孔。原始数据经过分析处理后，得到纵横波速度(VP、VS)、泊松比(μ)、动态杨氏模量(E)等岩石物性参数成果图，见图1所示。根据成果图分析，得出结论：PDK192+445～+430段负反射波密集分布，与上一段PDK192+470～+445段相比较，本段岩体纵横波速度均下降、泊松比增大，动态杨氏模量降低，具体参数变化情况见表2，从该岩石属性变化特征预测PDK192+445～+430段裂隙或岩溶发育，存在岩溶管道并有流体的存在。

图2 岩体物性参数Fig.2 Physical parameter diagram of rock mass

表2 岩石物性参数变化(PDK192+470～+445段对比PDK192+445～+430段)

4.3 地质雷达法

在PDK192+441掌子面进行了地质雷达法预报，采用100 m屏蔽天线，时窗长度为600 ns，采样率为512。预报里程范围为PDK192+441～+411，数据处理后得到的雷达图像如图3所示。

图3 地质雷达信号图像Fig.3 Ground penetrating radar signal image

从图像中分析得出,在深5～12 m范围存在自右侧向左侧延伸的强反射波组和能量团，且反射波组具有反射系数为负、振幅反向、频率低的特征，说明反射界面两侧介质的电磁学性质差异大，并由介电常数小的介质进入介电常数高的介质。通过对上述异常区域信号的分析得出结论：DK192+436～+429段自掌子面右侧向左侧发育含水体或充填湿润泥土溶腔。

4.4 瞬变电磁法

根据地震波反射法和地质雷达法解译的岩溶物探异常，为了进一步探测岩溶物探异常的赋水情况，增设了瞬变电磁法探测。采用中心回线组合装置，激发线圈为边长2 m的正方形线圈，激发线圈匝数10匝，供电电流为4.5 A，采样时间100 ms，采样率250 kHz，叠加次数不少于100次。采用水平斜向下30°、水平方向、垂向及斜向上30°四条测线的瞬变电磁测线布置方式，如图4所示。经专业软件处理后得到瞬变电磁探测视电阻率等值线图，见图5所示。从视电阻率等值线图可以清晰看到掌子面前方深度11 m附近和46～53 m范围内(即PDK192+427附近和PDK192+392～+385段)存在边界分明的低阻异常区域，结合现场地质情况，推测PDK192+427附近及PDK192+392～+385段为溶蚀裂隙带，局部存在含水溶腔。

图4 瞬变电磁法测线布置示意图Fig.4 Sketch diagram of transient electromagnetic survey line

图5 视电阻率等值线Fig.5 Contour map of apparent resistivity

4.5 超前地质钻探及加深炮孔

结合物探成果，在PDK192+441处掌子面中心先实施超前地质钻孔1孔，钻孔显示深度7.7～7.8 m段、8.5～8.8 m段冲洗液由灰白色变为黄色，冲击声由清脆变为沉闷，存在突进现象。施工至PDK192+438时施做加深炮孔，发现右侧拱腰处的炮孔在钻进深度2 m时出现突水，水呈黄色，深度为3 m时出现卡钻，内含细砂及细粒光圆卵砾石，出水量渐增，据此初步推断掌子面前方应存在富水溶腔或管道。

为进一步查清掌子面前方富水溶腔或管道的规模、分布范围，增加了探测孔的数量，调整了探测孔方位及角度，超前地质钻探孔位布置如图6所示。在掌子面右侧增加加深炮孔探测，增设的30个炮孔均出水，最大出水孔位于底板上方6.2 m处，喷射距离为9 m。7个钻孔的钻进特征如表3所示。

表3 超前水平钻孔主要钻进特征

通过对超前地质钻孔和加深炮孔的冲洗液颜色、水流量及突进段落位置的特征进行分析，可以得出结论：在PDK192+436～+431段洞身右侧发育溶蚀裂隙，存在富水岩溶管道，且该溶腔在洞身轮廓线范围内发育最宽处只有20 cm，钻孔水压及水量均呈下降趋势。

4.6 综合分析结论

综合上述各种预报方法的探测结果，可以判释PDK192+436～+429段岩性为弱风化灰岩，围岩较完整—较破碎，裂隙发育，且从隧道洞身右侧向左侧发育充填粉质黏土岩溶管道，含水；PDK192+392～+385段为溶蚀裂隙带，存在溶腔。建议在PDK192+436～+429段及PDK192+392～+385段注意防范突泥涌水风险，施工时采用“短进尺、弱爆破”方式开挖，减少对溶腔的扰动，及时施作初期支护，防止局部塌方、掉块等工程地质问题发生。

随着超前地质钻孔增多，钻孔排水泄压的作用逐渐增大，岩溶管道的水位及水量也逐步下降，隧道发生涌水突泥的风险逐渐降低，施工安全风险可控。

4.7 开挖揭示情况

在PDK192+436～+433段洞身右侧拱墙位置发育填充砂夹卵砾石、淤泥型岩溶管道，腔体湿润，岩溶管道向拱顶上方发育，发育方向与隧道走向垂直相交，未见边界，见图7(a)；在PDK192+389附近发育填充湿润黄泥溶腔，向洞身轮廓线外延伸，延伸方向与隧道走向垂直相交，未见边界，见图7(b)。

图7 开挖揭示岩溶管道及溶腔Fig.7 Karst pipeline and cave revealed by excavation

5 结 论

应用隧道综合超前地质预测预报技术，探明了掌子面前方的地质情况，避免了地质灾害的发生，为下一步工程处理提拱了地质依据，有力保障了隧道的安全施工。

岩溶隧道超前地质预报实施过程中，不能过分依赖于单项方法的成果，应采用长、短距离相结合，充分发挥各种预报方法的优势，相互指导、验证进行综合研判，以提高超前地质预报的准确性。

岩溶隧道超前地质预报中，地质雷达、超前地质钻探和加深炮孔三种方法在短距离探测(或进一步查清)岩溶规模、分布范围及岩溶填充性质时，精度相对较高，应得到合理利用；施工过程中须注重加深炮孔探测的实施，作为临近预报手段，其具有最后一道安全门的作用。