岩溶隧道超前地质预报综合预报技术

徐建平

（中交一公局集团华中工程有限公司，湖北 武汉）

前言

在我国交通事业迅速发展过程中，其中隧道工程施工期间遇到地质情况愈发复杂，高瓦斯岩溶隧道频繁出现，岩溶、煤层瓦斯、破碎带叠加出现，为隧道前期处理及后期运营埋下了诸多风险因子。利用超前地质预先报告技术，有望提前发现岩溶隧道地质风险并提前制定处理方案，降低地质灾害发生率。单一预报技术并无法满足岩溶隧道超前地质预先报告要求。因此，分析岩溶隧道超前地质预报综合预先报告技术具有非常突出的现实意义。

1 岩溶隧道基本情况

一隧道为高瓦斯富水岩溶隧道，全长4 126 m，中心里程为D3K358+036。隧道穿越地层为二叠系燧石灰岩、三叠系灰岩、碳酸盐岩夹页岩等，围岩为IV、V 级，存在煤层瓦斯、岩溶等不佳地质（见表1）。

表1 岩溶隧道不良地质

隧道1 850 m 位于地下水水平循环带，平常涌水量为15 282.3 m3/d，雨期最大涌水量为32 362.3 m3/d，岩溶及岩溶水强现象发展。隧道底部填充型深岩溶干扰范围内围岩应力分布不均，加之雨季岩溶水水量增加，易造成岩溶段隧道初期支护及衬砌开裂、掉块、突起[1]。

2 岩溶隧道超前地质预报综合预先报告技术方案

2.1 总体方案

单一方法并无法详细反映高瓦斯富水岩溶隧道复杂地质条件，案述隧道超前地质预报综合预报技术由地质法、物探法、超前钻探法组成。

2.2 地质法预先报告

地质法是根据开挖地质隐蔽性，以隧道区地质条件为基础，依据隧道地质素描资料、地质勘察资料、地面补充调查资料，对比隧道区地层岩性和层序，进行灾害前兆分析，推测掌子面前方揭露地质情况[2]。

2.3 物探法预先报告

物探法主要是根据岩层间具有物理性质，借助弹性波反射法（地震波反射法、HSP 声波反射法）或电磁波反射法、红外探测法、高分辨直流电法，进行隧道地质体构造形态的探测。案述岩溶隧道主要用物探方法为地震波反射法、地质雷达[3]。

2.3.1 地震波反射法

地震波反射法主要借助TSP203 超前预报系统，以溶洞、断层破碎带界面为地震波反射界面，根据地震波传播情况，判断不良地质规模、位置。地震波传播速度为

式中，V 为地震波传播速度，m/s；X 为测试孔到传感器的距离，m；T 为直达波的传播时间，s。根据V，结合已知反射波传播时间，可以推导反射波、接收传感器的距离，具体如下

式中，T′为反射波传播时间，s；X1为测试孔、反射界面之间的距离，m；X2为传感器、反射界面之间的距离，m。因不良地质界面与传感器对称，由传感器和像点的空间坐标可以求解空间方程，进而获得空间中垂面，即不良地质界面。

2.3.2 地质雷达法

地质雷达主要是根据隧道超前地质预报要求，标准化布置探测线路，促使地质体在探测线路布置方向处于电磁波辐射范围内。

图1 中，1 为上台阶；2 为探测线路L2；3 为探测线路L1；4 为下台阶。由图1 可知，探测线路L1 位于岩溶隧道掌子面下部，探测线路L2 位于岩溶隧道掌子面中部，探测线路L1 与探测线路L2 平行，有利于探测线路数据对比分析。

图1 地质雷达探测线路布置

2.4 超前钻探法预先报告

超前钻探法主要是利用钻机在隧道掌子面钻探，可以为富水岩溶、煤层瓦斯带探测提供支持。高瓦斯岩溶隧道超前钻探布置见图2。

图2 高瓦斯岩溶隧道超前钻探布置

图2 中，1 为局扇；2 为超前钻探位置；3 为射流风机。根据图1，由专职瓦斯检测员对隧道内含瓦斯煤层进行超前钻探，可提前发现瓦斯风险，启动射流风机，避免瓦斯气体积聚。

3 岩溶隧道超前地质预报综合预先报告技术要点

3.1 地震波反射法操作要点

在基于地震波反射法的TSP203 超前预报系统操作前，依据岩层结构主导方位，选择右侧壁剖面布置18 个孔深为1.5 m、直径38 mm 微型爆破孔，孔沿径向向下倾斜15°±5°，相邻爆破孔之间距离为1.5 m，每孔装药25 g±5 g，连接60 m 引爆电线和爆破雷管。同时在距离掌子面55 m、距离第一个炮眼20 m 位置布置接收器，接收传感器沿轴径向布置（见图3）。

图3 TSP203 超前预报系统钻孔布置

图3 中，1 为爆破测试孔；2 为孔斜，5°～10°；3 为爆破测试孔深，1.5 m；4 为掌子面；5 为接收器孔；6 为接收器孔深，2.0 m。在确认布置无误后，利用专门清洁杆清洗套管内壁，连接计算机与存储单元，开启计算机输入几何参数，在距离传感器最近炮孔内装填炸药并封堵炮眼，放炮采集数据，观察5 000 mV 以内的最大信号与波形[4]。

3.2 地质雷达应用要点

在岩溶隧道掌子面地质雷达探测前，应翻阅勘察报告相关资料，分析测区地质基本情况，并清理探测面，确保雷达天线、探测面岩体稳固耦合。若掌子面凹凸不平且处理难度较大，可根据天线移动方向，平行布置2 根PVC 管道，在PVC 管道内布置天线。确保天线平稳移动情况下，清理底板虚渣、积水。

在岩溶隧道掌子面地质雷达探测时，应利用连续反射剖面测量法，控制发射天线、接收天线间距一定，保证天线与掌子面最大间距小于5 cm，并理顺电缆，控制电缆与天线距离一定，避免电缆通电产生磁场干扰地质雷达数据采集质量。正式采集时，可选择键盘触发或时间触发方式，以100 MHz 雷达天线为主，每秒扫描128 次以上，每间隔5 m 进行一次测量轮校准。

3.3 超前水平钻探操作要点

根据岩溶隧道实际情况，选择以111 kW 内燃机为动力的RPD-150C 多功能钻机。在钻孔前，检查钻杆、水泵、管路、材料、油料与排水泵无误，平整隧道掌子面周边场地。在平整场地将钻机布置到隧道洞内，连接水管、水泵与电线。同时根据岩溶隧道隐伏含水构造位置、规模，以中心梅花形放射布置10 个超前地质预报钻孔（见图4），钻孔延伸到隧道地下洞室掌子面周边，孔深55 mm±10 mm。

图4 超前水平钻探孔

根据图4，安装内边块、57 mm 钻杆，开启水泵，送水79 L/min～80 L/min。设置旋转压力4.5 MPa±0.5 MPa，水击压力8.5 MPa±0.5 MPa，在旋转扭矩小于10 MPa。钻孔至设计深度，撤离钻杆，记录数据。

4 岩溶隧道超前地质预报综合预先报告结果

4.1 岩溶隧道地质资料分析结果

岩溶隧道物质场单元如表2 所示。

表2 岩溶隧道物质场单元（局部）

由表2 可知，案述岩溶隧道控制隐伏构造主要因素为地层岩性、地下水。地质构造对隐伏含水层规模、位置、补给特征、形状均具有较大影响。由此，可以进行隧道围岩分类，并在预测单元上标注[5]。

4.2 地震波反射法探测结果

根据隧道围岩物探纵波波速，可知区域P 波波速为2 368 m/s，而正常围岩P 波波速为3 470 m/s，SH波、SV 波在区域无反映。表明P 波波速突出下降区域为隐伏含水溶腔构造，根据P 波分布，在预测单元上标注隧道围岩探测结果，见表3。

表3 地震波反射法探测结果（局部）

根据表3，岩溶隧道地下水隐伏含水构造的形成必需条件是具备可溶性岩石、溶蚀性地下水、地质构造现象发展，预测单元为63、63、17、37 几个小单元，即在上述小单元出现隐伏含水构造的风险较大。可推测探测范围内存在5 个反射异常区，为岩溶现象发展区及其延伸区。

4.3 岩溶隧道钻探结果

根据岩溶隧道钻探结果可知，隧道掌子面出露岩体为三叠系泥灰岩，层状碎裂结构，弱风化岩体与强风化岩体交杂，岩体破碎程度较大。同时结构面谱面加载0.4 cm～2.5 cm 黄色湿润次生煤层，地下水活动痕迹明显。在掌子面下方距离底板1.45 m 位置现象发展节理密集带，带内节理间距8 cm～12 cm 左右，岩体较为破碎。隧道掌子面优势现象发展结构面产状为EW/S∠13°，薄层状分布，间距为18 cm～28 cm，充填煤层。

结束语

综上所述，岩溶隧道因岩溶现象发展多样性，需以隧道区域内地质条件为依据进行个性化预报技术的选择。在高瓦斯富水岩溶隧道超前地质预先报告时，应贯彻地质法与物探法相结合、洞外调查补充与洞内探测相结合、多种物探法相互印证的原则，以地质法为基础，结合岩溶现象变化更新特征、地质补充信息、处理规划剖面图，初步划定隧道岩溶地质预先报告单元。进而选择恰当的物探方式，与钻探相配合，制定并实施超前地质综合预先报告方案，为岩溶类型、规模以及瓦斯层分布的精准预报提供依据。