隧道穿越溶洞富水区超前地质预报与处置

李坚 张铎 邓朝阳 郭亚欣 孙兴邦

摘要：

隧道综合超前地质预报是对地表勘探的有效补充，可在隧道施工期提供掌子面前方不良地质灾害源信息。以滇中引水工程为例，通过地质勘测资料分析、地震波法和电阻率法相结合的综合超前地质预报系统，探测出该工程区4个易出现突泥涌水灾害的区段，并针对性地提出了超前预注浆的处理方案。现场验证结果表明：提出的预报方法对隧道穿越溶洞富水区时掌子面前方不良地质条件实现了超前地质预报，基于预报结果提出的施工处置技术可以针对不良地质条件进行有效治理。

关 键 词：

综合超前地质预报； 溶洞富水区； 不良地质条件； 地震波法； 电阻率法； 滇中引水工程

中图法分类号： TV221.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.024

0 引 言

近年来，随着中国经济的高速发展，交通基础设施建设发展更加迅猛，隧道和地下工程领域尤为突出［1-3］。随着隧道建设快速推进，隧道工程建设过程中，特别是隧道穿越溶洞富水区时，可能会遇到大型溶洞、突水涌泥等地质灾害［4］，造成经济损失和人员伤亡，降低了隧道施工的安全性和高效性。所以，对于隧道穿越溶洞富水区的超前地质预报和施工技术研究已刻不容缓［5］。

国内外学者对于隧道的综合超前探测做了大量的研究，对地震波法、激發极化法、瞬变电磁法等超前地质预报方法进行了探索［6］。聂利超［6］提出了多同性源阵列激发极化超前探测新方法，结合水量预测以及三维反演成像，对隧道含水构造进行了超前地质预报研究；孙怀凤［7］针对瞬变电磁探测与预报，结合隧洞含水构造与突水灾害问题进行了研究；李术才等［8］对隧道施工过程中超前地质预报的发展趋势及其中的关键问题进行了预测分析；雷明峰等［9］提出构建针对复杂地质条件下隧道浅埋段全空间综合超前地质预报方案，并进行了工程实践应用；李术才等［10］以激发极化法为基础，提出利用三维电阻率反演方法对隧道含水构造进行探测；韩自强等［11］利用波速差异，研究了特殊地质条件下地震波法和瞬变电磁法相结合的超前地质预报方法。因此，隧道综合超前预报已成为目前研究的主流趋势之一［12-15］。

相对于其他超前地质预报方法，地震波法探测距离相对较远，可定量反映岩体参数，对于工作面前方遇到与隧道轴线近乎垂直的不连续体（溶洞、节理、裂隙等）界面的确定，结果比较可靠。相对于瞬变电磁法和地质雷达法等，电阻率法受到电磁干扰影响较小，能够探查掌子面前方的预测断层、溶洞和富水带的位置和规模。

本文以滇中引水工程为例，通过地震波法和电阻率法相结合，对隧道穿越溶洞富水区进行综合超前地质预报，以探明溶洞富水区情况，并进行施工处置技术研究，确保隧道施工安全。

1 工程概况与主要工程问题

1.1 工程概况

滇中引水工程地处云南省西北部，该工程所处山地峡谷区属横断山系切割。区内高山、深谷、盆地构成了长条状断陷盆地，山体上部为北西高、南东低的特征。石鼓水源工程水源1-1号、2-1号进水隧道分别长2 564.19 m和2 488.19 m，两隧道中心线间距为30 m，净洞径6.7 m；1号、2号冲江河进水涵管长度分别为815.19 m和828.19 m，单孔断面尺寸6.3 m×6.3 m。采用钻爆法施工，双孔布置。该隧道工程地质图如图1所示。

1.2 主要工程问题

如图2所示，滇中引水工程中水源1-1隧道位于鲜水河-中甸-丽江-大理地震活动带西侧缘。该区域内地震活动的强度与频度偏大，地震震中位于区内北东、东部，主要与活动断裂的分布相关。由于石鼓水源工程场地在大地构造上属于松潘-甘孜褶皱系内，属二级构造单元，所以该区域重磁异常较为明显。新构造运动以来，差异活动较强，场址区地震基本烈度为Ⅷ度。所以该隧道工程地质条件极为复杂，隧道穿越溶洞富水区时施工难度与施工风险较高。

隧道工程区围岩岩性以石英片岩及片理岩化灰岩为主，局部溶蚀风化加剧并发育溶洞。由于当地的内动力地质作用较活跃，岩体的整体裂隙程度偏高，又由于雨水与围岩长期的物理化学反应，围岩强度偏低。地下水主要类型为岩溶水，地层富水性强，开挖时易出现股状水和坍塌。局部溶蚀风化加剧处极易出现垮塌、突涌水灾害，严重影响隧道穿越溶洞富水区时的施工安全。

2 隧道穿越溶洞富水区超前探测方法

针对掌子面前方不良地质情况，采用综合超前预报方法进行探测预报，包括地质分析、地震波法以及电阻率法。

（1） 地质勘测资料分析。

在隧道施工前，通过钻探和地面勘探相结合的方法，分析隧道施工过程中可能发生的地质灾害。在隧道施工过程中，根据开挖段的节理、层理等构造等地质信息，对掌子面前方不良地质情况进行估计。

（2） 地震波法。

利用地震波法对隧道掌子面前方0～120 m进行超前地质预报，探测断层、岩溶、破碎带等不良地质体的位置和范围。地震波法的基本原理（见图3（a））是：当弹性波在岩石中进行传播时，遇到波阻抗界面会产生反射波，界面两侧围岩的波阻抗差别越大，反射波能量表现越强，更加容易被探测发现。通过收集布置在隧洞两侧的地震检波器的信号，对信号数据进行处理（采用Ashida等［16］提出的算法进行数据成像）可以对隧道工作面前方不良地质条件进行探测和预报［17］。

（3） 电阻率法。

电阻率法可以利用探测对象与周围介质之间的电阻率差异，对电场分布规律进行分析，进而探测含水构造体。通过分析测量电极所探测到的电位变化，就可以了解到隧洞掌子面前方不良地质的位置和规模等情况，从而达到对探测区域地质情况探测的目的。

本文采用的隧道电阻率法探测原理如图3（b）所示，在掌子面后方隧洞两侧布置供电电极A，将供电电极B与N电极布置在隧道后方无穷远处。实际探测过程中，将供电电极系A供入相同电流进行测量，不断沿隧道轴线方向向后移动供电电极A，测量至预定探测位置［18-20］。

本文采用电阻率法探明掌子面前方0～30 m范围内含水构造体状况，预测掌子面前方含水构造体分布特征；主要探测对象是岩溶发育的中小型充水溶洞、向斜储水构造及其它富水地层等含水不良地质构造。

3 工程实践

在1号施工支洞下穿溶洞富水区时，进行综合超前地质预报，预报范围为K0+420～K0+520，掌子面附近涌水状况如图4所示。针对该段可能存在的塌腔涌水、强风化破碎带、破碎富水区、强风化破碎区、风化破碎区、裂隙股状水等地质情况，使用前述3种方法进行综合分析，进而制定对应的施工处置技术方案。

3.1 工程地质分析

桩号K0+420处掌子面岩性为片理岩化灰岩，完整性程度为较破碎-破碎。围岩风化程度为弱风化，右侧溶蚀风化发育成溶洞，充填少量块石，溶洞出水呈股状涌出。区段内岩体破碎较多，节理裂隙发育复杂，易形成风化槽，隧道围岩稳定性较差，强度较低。探测段由于节理裂隙发育等影响，涌水量增加，可能会发生突泥涌水等隧道灾害。

3.2 地震波探测分析

探测采用便携式WSAP，观测系统布置在掌子面后方10～50 m范围内的隧洞轮廓上。12个震源点布置在隧洞两侧的边墙上，距离掌子面10 m位置，呈对称式分布，震源点间距1～2 m。12个检波点布置在隧洞两侧的边墙上，呈对称式分布，检波点间距为2～3 m。隧道地震波探测成像如图5所示。

（1） K0+420～K0+480段。该段地震波速度在 2 300～3 200 m/s的范围内变化，存在明显正负反射。其中，在K0+440～K0+450以及K0+470～K0+480附近区域，地震波速明显下降，该段围岩与掌子面类似，围岩破碎，结构面发育，开挖时易发生坍塌。

（2） K0+480～K0+520段。该段地震波速度在 2 000～3 500 m/s的范围内变化，反射波能量较上一段有所减弱，在K0+490～K0+500及K0+510～K0+520附近区域，地震波速明显下降，同时出现零星正负反射，该段围岩较破碎-破碎，结构面较发育，开挖时易发生坍塌。

3.3 电阻率法探测分析

为了确定隧道穿越溶洞的情况，在隧道掌子面中部共布置12～20个测量电极，供电电极探测8～10圈，每圈4个供电点。第1圈与掌子面间隔10 m，第2圈、第3圈、第4圈与前一圈的间隔均为2 m，第5圈與第4圈间隔5 m。同时借助于模型参数约束反演，得到电阻率反演三维成像图和切片图，如图6所示。坐标原点为掌子面中心位置，X方向代表竖直方向，Y方向代表掌子面宽度方向，Z方向代表开挖方向。可以看到：

在K0+420～K0+450段，反演电阻率在400～1 000 Ω·m 范围内变化，掌子面前方存在大片团状分部的低阻异常区，低阻异常区内的电阻率为400～600 Ω·m。掌子面前方存在含水构造，地层富水性强，开挖时易出现股状涌水，局部可能出现突涌水。

4 施工处置技术措施及验证

4.1 施工处置技术措施

由上文可知，隧道穿越溶洞富水区过程中有掉块、塌腔等不良地质状况发生，为了防止溶洞富水区进一步发育，应及时采取合理的施工处置技术措施进行处理。

针对已开挖的隧道掉块坍塌部分，需要进行立拱处理，防止二次灾害事故发生。立拱措施完成后，首先实施混凝土注浆加固，然后进行回填工作。注浆管布置如图7（a）所示，注浆管结构如图7（b）所示。在注浆管埋设工作完成后，应对注浆加固段进行全环应急喷混凝土封闭工作，同时在这个过程中要及时铲除鼓包，防止发生漏浆现象。

4.2 现场验证

探测结果显示，K0+440～K0+450、K0+470～K0+480、K0+490～K0+500、K0+510～K0+520这4个区段在开挖时易出现股状涌水，突涌水灾害。开挖至该桩号附近，围岩破碎情况严重，掌子面涌水量增大，如图8（a）所示，与前文隧道穿越溶洞富水区综合超前探测结果一致。然后采取超前预注浆对溶洞涌出岩溶水进行及时封堵处理，注浆后效果如图8（b）所示。

5 结 语

利用地震波法和电阻率法相结合对隧道掌子面前方的探测，可以较好地反映掌子面前方不良地质情况，完成对隧道穿越溶洞富水区综合超前预报，确保安全、高效施工。

根据掌子面前方的地质情况进行合理的施工处置技术选择，可有效避免突泥涌水等地质灾害的发生。

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（编辑：胡旭东）

Abstract：

The comprehensive advanced geological prediction of tunnel is an effective supplement prediction to the ground surface exploration work，which can reveal the bad geological disaster source in front of the tunnel face during construction.Taking the water diversion project in central Yunnan as an example，through the comprehensive advanced geological prediction system and geological survey data analysis，the seismic wave method and the resistivity method，four sections prone to mud and water inrush disasters in the project area were detected，and the treatment scheme of advanced pre-grouting was put forward.The field verification results showed that the proposed prediction method can realize the advanced geological prediction of the unfavorable geological conditions in front of the tunnel face when the tunnel crosses the karst cave of the water-rich arer.The construction disposal technology based on the prediction results can help effectively deal with the unfavorable geologic conditions.

Key words：

comprehensive advanced geological prediction；karst cave in water-rich area；bad geological condition；seismic wave method；resistivity method；water diversion project in central Yunnan