铁路隧道超前地质预报技术应用

叱干强

（中铁二十二局集团市政工程有限公司，广州 510800）

1 引言

工程项目在勘察设计阶段，受勘察地理条件限制及勘察技术条件的制约，地质勘察的结果常常与施工开挖揭示的地质条件存在一定出入，从而使得施工方法、支护措施、施工成本、施工工期都受到影响，特别是复杂多变、不良地质段落，不当的施工方法可能造成地质灾害及安全事故。因此，在隧道施工中，采用科学合理、技术可行的超前地质预报技术，对隧道掌子面前方地质情况进行准确的预报尤为重要，从而对施工方法起到一定的指导作用，对施工安全提供有力保障[1]。

在玉磨铁路南联山隧道施工中，采用不同的超前地质预报方法，结合应用、相互印证、对各不良地质段落进行了成功的预报，为施工提供了可靠的依据。本文主要结合南联山隧道施工中不同的超前地质预报方法的结合运用技术做分析总结。

2 工程及地质概况

南联山隧道全长9 850 m，除出口段690 m为双线隧道，其余段落为单线隧道。隧址区属中低山地貌，上覆第四系全新统滑坡堆积（Q4del）粉质黏土，坡洪积（Q4dl+pl）淤泥质土，粉质黏土及粗圆砾土，坡残积（Q4dl+el）粉质黏土，坡积（Q4dl）粉质黏土，下伏基岩未二叠系上统龙潭组（P2l）板岩加砂岩，炭质片岩，炭质板岩，强风化层（W3）、全风化层（W4），二叠系上统（P2）安山岩，印支期（δ51）闪长岩，（N51）辉长岩，Fbr断层角砾。主要不良地质有滑坡、仰坡顺层、有害气体、曼龙迈正断层，断层影响段落地质以断层角砾为主，破碎带及影响带岩体极破碎，全隧地下水丰富。

3 超前地质预报主要技术应用

目前，超前地质预报主要采用地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑预报法[2]，其中前3种方法较为常用。

超前地质预报的主要内容是预报不良地质、地质灾害、水文地质、断层破碎带、围岩类别、稳定性、有害气体等[3]。南联山隧道在施工中通过下述各方法的结合运用，有效地进行了超前地质预报。

3.1 地质调查法

地质调查法包括隧道地表补充地质调查、洞内开挖工作面地质素描和洞身地质素描、地层分界线及构造线的地下和地表相关性分析、地质作图等。

3.1.1 地表补充地质调查

地表地质调查和洞内开挖面地质素描应用较多，该如何应用是重点。一条地质复杂、围岩级别多变的隧道，从隧道进口到出口进行地表补充调查是很有必要的，过程中做好记录

和标记是关键。例如，线路穿山间沟渠，沟渠水量大小，穿公路或线路附近的鱼塘、水塘及建筑群走向等与线路的空间关系，或地表出露的特殊的岩土，煤层、断层等的位置、规模等情况并配上草图，再结合设计图对应查阅埋深、设计参数、围岩级别等相关资料，将这些特殊信息都标记出来，然后汇总成信息表，最后修正出超前地质预报重点区段（南联山隧道汇总信息表内容包含：影响里程、地表调查的信息情况描述、设计埋深、设计支护参数、是否纳入重点预报、预报时应注意的问题）。这些信息都作为后期施工的第一手资料，既可为物探法、钻探法相互验证做辅助参考资料，又可作为施工措施变化的辅助参考依据。

3.1.2 洞内开挖面地质素描

地质素描需随隧道开挖及时进行，在地层岩性变化处、构造发育部位、岩溶发育带等复杂、重点地段需每开挖循环进行一次素描，其他一般地段不超过10 m进行一次素描。

南联山隧道地质变化多，围岩级别从Ⅱ~Ⅴ级均有分布。施工中，针对地质素描主要从岩性层间结合程度、风化程度、节理特征、破碎程度、稳定性、地下水分布、水量、地下水出漏形态（渗水、滴水、线状）等进行描述并配以轮廓简图示意。

3.2 物探法

物探法包括多种方法，南联山隧道采用的是应用相对普遍和成熟的TSP（地震波反射法）和地质雷达探测法。

3.2.1 TSP（地震波反射法）

南联山隧道采用的是瑞士安伯格公司生产的TSP200，属于多波多分量反射地震波物探方法。由1个传感器孔（接收器孔）和同水平线的24个激发孔通过孔内少量炸药激发地震波进行探测（见图1）。岩体完整的硬岩地层，每次预报距离采用120~150 m，软弱、破碎地层或岩溶发育区段，每次预报距离采用100~120 m，前后两次搭接长度10 m。

图1 TSP法探测原理示意图

该方法的结果分析以P波（纵波）资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释，解释遵循以下准则：（1）正反射振幅（一般会对应一种颜色）表明岩层变硬，负反射振幅（一般会对应另一种颜色）表明岩层变软，负反射与正反射的组合表明该位置存在断裂（断层）；（2）若横波S反射较纵波P强，则表明岩层饱含水；（3）若纵横波速比Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起；（4）若纵波波速Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

在施工中除了看最终的预报结果，更需从岩石参数变化图和节理图中分析风险段落的变化趋势，以便更好地理解风险的范围。此处就不附图详解了，总之岩石参数变化图及节理面俯视图中每一段变化趋势都有详细对应的里程位置，遵循分析原则，找出重点范围。

通过分析岩石参数变化图和节理图，应遵循：P波波速越小围岩级别越低，稳定性、完整性越差，裂隙度增加；泊松比越小围岩完整性越差，突然增大则存在流体；杨氏模量越小，越容易受力后变形破坏。然后再看岩石节理面，正反射振幅表明岩层相对为硬岩层，负反射振幅表明岩层相对为软岩层。对于一般地质段，TSP法+超前钻探法两种相结合，就足以为施工提供良好指导。

3.2.2 地质雷达探测法

地质雷达探测法主要用于岩溶探测，以及断层破碎带、软弱夹层等不均匀体的探测，每次探测30 m，前后两次搭接5 m。南联山隧道采用的是SIR-3000高精度探地雷达，100 MHz天线。

对于断层及其破碎带、软弱地层、褶皱及其破碎带等地段利用地震波反射法+地质雷达法+超前钻探法3种方法相结合，进行相互验证。南联山隧道出口段曼龙迈断层与线路相交于DK378+440~DK378+460。3种方法结合的探测在该断层影响带得到充分应用，根据设计资料该断层带影响里程为DK378+431~451共计20 m，但在施工中经过地震波反射法探测揭示，围岩DK378+465~430段波形变化大，正反辐射振幅组合明显。施工至DK378+470时，通过地质雷达探测揭示前方4 m范围后电磁波频率分布不均，变化快，振幅低，再通过掌子面左右侧2个超前水平钻孔钻探验证，结果钻孔至DK378+465附近时出现卡钻，直至DK378+440结束，全程都存在卡钻现象，渣样呈角砾状、潮湿。通过3种方法探测结果分析判断曼龙迈断层影响段落开始里程确定为DK378+465处。后施工至DK378+445处再次进行地质雷达探测和两孔超前水平钻孔验证，分析判断曼龙迈断层影响带的结束里程为DK378+430，结合预报信息，对该段落支护措施采取了超前加强和支护加强。曼龙迈断层影响带安全平稳通过，正是因为这3种方法的充分结合运用，准确判断，从而指导施工早行动，提前采取超前加强支护措施，避免了坍塌后被动处理的状况。

3.3 超前钻探法

超前钻探法包括超前水平地质钻探、加深炮孔探测及孔内摄影。南联山隧道施工中主要应用超前水平地质钻探和加深炮孔探测。

3.3.1 加深炮孔探测

加深炮孔探测是小孔径探测，在南联山隧道施工中，采用全断面法施工时加深炮孔探测采用3点法，台阶法施工时加深炮孔探测采用5点法，深度均较循环进尺深3 m。无论是3点法还是5点法，探测过程中数据的采集和记录是关键。记录表反映的信息要详细，南联山隧道施工中记录表反映的主要信息有：掌子面里程、孔口相对位置、外插角度、钻进长度、钻进用时、有无卡钻、突进情况、钻后孔口出水情况、是否有气体溢出（针对可能存在的有害气体段很重要，是重点监测对象）等。

加深炮孔的探测，弥补了超前水平钻探预报范围的局限性，对支护轮廓范围短距离围岩的情况探测是一个补充，特别是在围岩复杂多变、软硬分布不均、渐变段落起到一个多点成面的探测预报作用。

3.3.2 超前水平地质钻探

超前水平地质钻探适用于各种地质条件下的预报，复杂特殊地层、有特殊目的的地质地段需要采用回转取芯钻进行取芯鉴定和试验，一般地段采用冲击钻，通过钻孔钻进响声、钻速及其变化、钻孔渣样、卡钻、裹钻、钻杆振动、孔口流水等探明岩性、岩体完整性及溶洞、地下水发育情况。钻孔位置的布置、角度的控制和孔数的选取要严格把控。具体要求如下：

1）一般地段在掌子面中部布1个钻孔，下穿段落、浅埋段落在掌子面左右侧各布1个钻孔，钻孔外插角控制在1°~3°；

2）富水岩溶发育段落在掌子面左右侧各布1个钻孔，结合钻孔揭示，必要时再增加，外插角控制在10°~15°，使终孔位于开挖轮廓线5 m外；

3）根据施工总结，对于富水、岩体破碎呈角砾状岩体段落，钻孔角度要严格控制在1°~2°，终孔必须在支护的拱圈轮廓线范围内。因为这种地质条件下，由于过大的外角倾斜，随着水流的冲刷，角砾随水外流，孔内会形成漩涡式的放大空洞，随着时间的推移，越晚开挖的地方越容易形成大空洞溜坍。

南联山隧道进口在埋深较浅的下穿鱼塘段和下穿既有车辆通行的山路段，充分利用地表调查中揭示的信息，在施作超前水平钻时就充分进行了验证。在下穿鱼塘段，提前10 m就探得丰富的地下水，掌子面左侧探孔水流速度达1.2 L/s，围岩破碎。再结合超前水平钻预报信息，提前采取措施，洞外采取抽干鱼塘水，并做防护和地表监测。洞内采取加强超前支护，采用双层超前小导管注浆加固，最后平稳穿过该段。在下穿最小埋深15 m既有山路段，同样结合洞内外预报信息，提前对揭示的风化的黄色土粒状岩层进行了超前注浆固结措施，开挖中虽有小的溜坍，但提前注浆起了一定的稳固作用，保证了施工安全。

总之，超前地质预报工作，每一种方法的应用都不应孤立存在，无论是地质调查法、物探法，还是钻探法，只有把每一环节都做好，才能更充分地合理应用，否则就失去了参考意义和指导施工的价值。

4 结语

1）通过南联山隧道施工中超前预报技术的应用，采用“洞内与洞外结合、物探与钻探结合、相互印证、重控过程实施与数据分析应用”能更好地预报了解围岩情况，利于施工措施调整，是可行实用的。

2）超前水平钻孔的角度不可一味地按外扩到开挖轮廓线来控制，对于富水、岩体破碎呈角砾状岩体，终孔位置控制在拱圈轮廓线范围内更好，可避免过大的外角倾斜下水流的冲刷，孔内形成漩涡式的放大空洞，给开挖带来隐患。

3）对于一条长且地质复杂多变的隧道，超前地质预报应作为日常工序管理范围，通过各种方法的结合应用及综合分析，为隧道施工提供合理开挖方法、更安全的支护方式和超前支护措施，使施工做到防患于未然，避免地质灾害的发生。