王玉琴，高樹全>

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610000)

1 引 言

巖溶在西南地區(qū)發(fā)育分布廣泛，是西南地區(qū)鐵路建設(shè)中的主要工程地質(zhì)問題之一。隨著西南巖溶地區(qū)地下工程日益增多，地下工程施工中遭遇巖溶災(zāi)害的機(jī)率大大增加，特別是在長大深埋巖溶隧道建設(shè)過程中，經(jīng)常遇到突泥涌水、巖溶塌陷等不可預(yù)見的地質(zhì)災(zāi)害，造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失及工期延誤等不良后果，嚴(yán)重影響著隧道施工的安全性和高效性。為了降低隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)，保障隧道施工安全，施工前均開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，用以查清隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成了一套完備的技術(shù)體系，特別是綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在巖溶預(yù)報(bào)方面的應(yīng)用，建立了隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)“洞內(nèi)外結(jié)合，以洞內(nèi)為主；長短結(jié)合，以短為主”原則[1]；在巖溶發(fā)育與致災(zāi)理論上，開展了巖溶災(zāi)害機(jī)理與預(yù)報(bào)技術(shù)相結(jié)合的綜合研究，提出了防治巖溶突水突泥災(zāi)害的技術(shù)措施與預(yù)報(bào)體系，解決了巖溶發(fā)育隨機(jī)性和復(fù)雜性與物探探測結(jié)果之間的多解性問題，提高了隧道突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造探測的準(zhǔn)確性[2-4]；在技術(shù)方法上，不斷發(fā)展了適用于隧道狹窄空間探測的先進(jìn)物探探測技術(shù)，研究了各種參數(shù)組合或方法組合，提高了復(fù)雜巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法組合的針對性[5-8]。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，研究了地質(zhì)調(diào)查與勘探相結(jié)合、物探與鉆探相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在貴南鐵路巖溶隧道建設(shè)中的系統(tǒng)性應(yīng)用，并取得了良好的效果。

2 工程概況

貴南高鐵線路穿過黔桂高原過渡帶及桂西巖溶峰叢洼地、峰林平原區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶不良地質(zhì)特別突出，隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)高。九萬大山一號隧道是貴南鐵路I級高風(fēng)險(xiǎn)長大隧道，是全線控制性工程，位于廣西盆地向云貴高原延伸的貴州高原斜坡帶，屬貴州高原中低山剝蝕地貌和溶蝕丘峰洼地地貌，主要穿越二疊系下統(tǒng)茅口組和棲霞組灰?guī)r、石炭系上統(tǒng)馬平組灰?guī)r、石炭系中統(tǒng)黃龍組灰?guī)r夾白云巖等可溶巖地層，地下水以第四系土層中的孔隙水及基巖裂隙水、巖溶管道水為主，下穿19個(gè)與隧道工程關(guān)系密切的地表洼地，并上跨4條暗河，極有可能發(fā)生涌水突泥問題。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施方案

常用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要是地質(zhì)調(diào)查法、物探法和超前鉆探法[9]。

3.1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法是一種適用于各種地質(zhì)情況的隧道預(yù)報(bào)方法，它是根據(jù)隧道地質(zhì)勘察資料和洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查，利用常規(guī)地質(zhì)理論、地質(zhì)作圖和趨勢分析法，將地表勘察的地層巖性、地層分界線及地質(zhì)構(gòu)造線與隧道進(jìn)行相關(guān)性分析，推測開挖工作面前方地質(zhì)情況的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法[10]。

3.2 地震波反射法

地震波反射法是利用人工激發(fā)的地震波在不均勻地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報(bào)隧道掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)情況的一種方法，能對隧道前方具有較明顯波阻抗差異的地層界線、構(gòu)造破碎帶、大型溶洞及含水帶等進(jìn)行較準(zhǔn)確的探測與判定[11]。作為長距離預(yù)報(bào)手段(預(yù)報(bào)距離一般在120 m左右)，它具有劃定異常規(guī)模范圍、提前預(yù)警及指導(dǎo)中短距離預(yù)報(bào)實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)[12]。

3.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場，通過對該二次場的空間和時(shí)間分布的分析來認(rèn)識有關(guān)地質(zhì)問題[13]。瞬變電磁法是基于電性差異來劃分不同巖性地層、構(gòu)造破碎帶等異常體，屬于時(shí)間域的電磁感應(yīng)方法，其瞬變曲線衰減的快慢與目標(biāo)地質(zhì)體的導(dǎo)電性有關(guān)，且對低阻體(特別是水體)反應(yīng)靈敏，根據(jù)這一特性用以探測隧道前方的水文地質(zhì)情況[14](預(yù)報(bào)距離一般在80 m左右)。

3.4 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是通過分析反射電磁波的振幅、頻率、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等參數(shù)信息對圍巖(如：溶洞、含水體、巖性分界面等)性質(zhì)進(jìn)行解釋的方法(預(yù)報(bào)距離為20～35 m)[15]。地質(zhì)雷達(dá)法具有探測速度快、占用施工時(shí)間少、成果直觀等優(yōu)點(diǎn)，并能對常見的溶蝕裂隙帶、溶洞和富水巖溶管道等進(jìn)行有效預(yù)報(bào)，被廣泛地應(yīng)用于巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[16,17]。

3.5 超前鉆探法

超前鉆探法包括超前地質(zhì)鉆探和加深炮孔探測。超前地質(zhì)鉆探是利用鉆機(jī)在隧道開挖工作面進(jìn)行鉆探來獲取地質(zhì)信息的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。一般采用沖擊鉆，必要時(shí)采用回轉(zhuǎn)取芯鉆。在采用沖擊鉆時(shí)，是根據(jù)鉆進(jìn)特征(沖洗液顏色、流量變化、卡鉆位置、突進(jìn)里程及沖擊聲變化等)進(jìn)行地質(zhì)情況判識。常規(guī)預(yù)報(bào)距離為30～50 m，也可根據(jù)鉆機(jī)性能及解決地質(zhì)問題的需要采用100 m以上的鉆孔。

加深炮孔探測是利用風(fēng)鉆或鑿巖臺車等在隧道開挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質(zhì)信息，其預(yù)報(bào)原理與沖擊鉆相同。加深炮孔在巖溶隧道普遍采用，尤其在巖溶發(fā)育區(qū)，一般規(guī)定加深炮孔應(yīng)較爆破孔(或循環(huán)進(jìn)尺)深3 m以上，且?guī)в幸欢ǖ耐獠褰?，以便在臨近不良地質(zhì)體時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方存在的不良地質(zhì)情況(預(yù)報(bào)距離為5～8 m)。

綜合九萬大山一號隧道巖溶地質(zhì)情況和各類預(yù)報(bào)方法的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，依照巖溶預(yù)報(bào)以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)、超前鉆探法為主、輔以多種物探手段進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原則，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施方案采用如表1所示的組合方式，隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施流程如圖1所示。

表1 不同巖溶地質(zhì)條件下的預(yù)報(bào)方法組合方式

圖1 隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施流程Fig.1 Implementation flow chart of tunnel comprehensive geological prediction

4 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

本應(yīng)用實(shí)例為隧道含水溶腔預(yù)報(bào)，實(shí)例工點(diǎn)位于九萬大山一號隧道出口平導(dǎo)PDK192+438處，施工掘進(jìn)方向由大里程至小里程。根據(jù)本工點(diǎn)巖溶發(fā)育情況，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組合方式適用于表1中的類別Ⅴ，即采用地質(zhì)調(diào)查法、地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法、超前地質(zhì)鉆探及加深炮孔，并在實(shí)施過程中根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)方法的動態(tài)調(diào)整。

4.1 地質(zhì)調(diào)查分析

九萬大山一號隧道PDK191+950～PDK192+850段洞身走向?yàn)镹W22°～NE8°，埋深250～390 m，基巖為石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2hn)灰?guī)r夾白云巖，巖層產(chǎn)狀為N20oE/17oNW。本段巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，其地表附近分布7個(gè)洼地(分別是嶗山村5#、6#、7#、9#、10#、11#、12#洼地)，洼地均無積水，消水通暢，未見明顯落水洞、漏斗。施工揭示PDK192+850～+438段巖體完整，巖性為灰?guī)r，

呈灰白色，中厚層狀，產(chǎn)狀為N21oE/16oNW，節(jié)理發(fā)育密集，方解石脈充填，層間結(jié)合度較好。

4.2 地震波反射法

對PDK192+515～+400段進(jìn)行了地震波反射法探測，在PDK192+524.5～+559.1段的右邊墻，按約1.50 m的間距布置24個(gè)激發(fā)孔分別激發(fā)地震波，孔深1.40～1.60 m不等，均采用炸藥作為激發(fā)震源，在PDK192+572.8的兩側(cè)邊墻位置分別布置地震波信息接收孔。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后，得到縱橫波速度(VP、VS)、泊松比(μ)、動態(tài)楊氏模量(E)等巖石物性參數(shù)成果圖，見圖1所示。根據(jù)成果圖分析，得出結(jié)論：PDK192+445～+430段負(fù)反射波密集分布，與上一段PDK192+470～+445段相比較，本段巖體縱橫波速度均下降、泊松比增大，動態(tài)楊氏模量降低，具體參數(shù)變化情況見表2，從該巖石屬性變化特征預(yù)測PDK192+445～+430段裂隙或巖溶發(fā)育，存在巖溶管道并有流體的存在。

圖2 巖體物性參數(shù)Fig.2 Physical parameter diagram of rock mass

表2 巖石物性參數(shù)變化(PDK192+470～+445段對比PDK192+445～+430段)

4.3 地質(zhì)雷達(dá)法

在PDK192+441掌子面進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)，采用100 m屏蔽天線，時(shí)窗長度為600 ns，采樣率為512。預(yù)報(bào)里程范圍為PDK192+441～+411，數(shù)據(jù)處理后得到的雷達(dá)圖像如圖3所示。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)信號圖像Fig.3 Ground penetrating radar signal image

從圖像中分析得出,在深5～12 m范圍存在自右側(cè)向左側(cè)延伸的強(qiáng)反射波組和能量團(tuán)，且反射波組具有反射系數(shù)為負(fù)、振幅反向、頻率低的特征，說明反射界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)差異大，并由介電常數(shù)小的介質(zhì)進(jìn)入介電常數(shù)高的介質(zhì)。通過對上述異常區(qū)域信號的分析得出結(jié)論：DK192+436～+429段自掌子面右側(cè)向左側(cè)發(fā)育含水體或充填濕潤泥土溶腔。

4.4 瞬變電磁法

根據(jù)地震波反射法和地質(zhì)雷達(dá)法解譯的巖溶物探異常，為了進(jìn)一步探測巖溶物探異常的賦水情況，增設(shè)了瞬變電磁法探測。采用中心回線組合裝置，激發(fā)線圈為邊長2 m的正方形線圈，激發(fā)線圈匝數(shù)10匝，供電電流為4.5 A，采樣時(shí)間100 ms，采樣率250 kHz，疊加次數(shù)不少于100次。采用水平斜向下30°、水平方向、垂向及斜向上30°四條測線的瞬變電磁測線布置方式，如圖4所示。經(jīng)專業(yè)軟件處理后得到瞬變電磁探測視電阻率等值線圖，見圖5所示。從視電阻率等值線圖可以清晰看到掌子面前方深度11 m附近和46～53 m范圍內(nèi)(即PDK192+427附近和PDK192+392～+385段)存在邊界分明的低阻異常區(qū)域，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，推測PDK192+427附近及PDK192+392～+385段為溶蝕裂隙帶，局部存在含水溶腔。

圖4 瞬變電磁法測線布置示意圖Fig.4 Sketch diagram of transient electromagnetic survey line

圖5 視電阻率等值線Fig.5 Contour map of apparent resistivity

4.5 超前地質(zhì)鉆探及加深炮孔

結(jié)合物探成果，在PDK192+441處掌子面中心先實(shí)施超前地質(zhì)鉆孔1孔，鉆孔顯示深度7.7～7.8 m段、8.5～8.8 m段沖洗液由灰白色變?yōu)辄S色，沖擊聲由清脆變?yōu)槌翋?，存在突進(jìn)現(xiàn)象。施工至PDK192+438時(shí)施做加深炮孔，發(fā)現(xiàn)右側(cè)拱腰處的炮孔在鉆進(jìn)深度2 m時(shí)出現(xiàn)突水，水呈黃色，深度為3 m時(shí)出現(xiàn)卡鉆，內(nèi)含細(xì)砂及細(xì)粒光圓卵礫石，出水量漸增，據(jù)此初步推斷掌子面前方應(yīng)存在富水溶腔或管道。

為進(jìn)一步查清掌子面前方富水溶腔或管道的規(guī)模、分布范圍，增加了探測孔的數(shù)量，調(diào)整了探測孔方位及角度，超前地質(zhì)鉆探孔位布置如圖6所示。在掌子面右側(cè)增加加深炮孔探測，增設(shè)的30個(gè)炮孔均出水，最大出水孔位于底板上方6.2 m處，噴射距離為9 m。7個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)特征如表3所示。

表3 超前水平鉆孔主要鉆進(jìn)特征

通過對超前地質(zhì)鉆孔和加深炮孔的沖洗液顏色、水流量及突進(jìn)段落位置的特征進(jìn)行分析，可以得出結(jié)論：在PDK192+436～+431段洞身右側(cè)發(fā)育溶蝕裂隙，存在富水巖溶管道，且該溶腔在洞身輪廓線范圍內(nèi)發(fā)育最寬處只有20 cm，鉆孔水壓及水量均呈下降趨勢。

4.6 綜合分析結(jié)論

綜合上述各種預(yù)報(bào)方法的探測結(jié)果，可以判釋PDK192+436～+429段巖性為弱風(fēng)化灰?guī)r，圍巖較完整—較破碎，裂隙發(fā)育，且從隧道洞身右側(cè)向左側(cè)發(fā)育充填粉質(zhì)黏土巖溶管道，含水；PDK192+392～+385段為溶蝕裂隙帶，存在溶腔。建議在PDK192+436～+429段及PDK192+392～+385段注意防范突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)，施工時(shí)采用“短進(jìn)尺、弱爆破”方式開挖，減少對溶腔的擾動，及時(shí)施作初期支護(hù)，防止局部塌方、掉塊等工程地質(zhì)問題發(fā)生。

隨著超前地質(zhì)鉆孔增多，鉆孔排水泄壓的作用逐漸增大，巖溶管道的水位及水量也逐步下降，隧道發(fā)生涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)逐漸降低，施工安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

4.7 開挖揭示情況

在PDK192+436～+433段洞身右側(cè)拱墻位置發(fā)育填充砂夾卵礫石、淤泥型巖溶管道，腔體濕潤，巖溶管道向拱頂上方發(fā)育，發(fā)育方向與隧道走向垂直相交，未見邊界，見圖7(a)；在PDK192+389附近發(fā)育填充濕潤黃泥溶腔，向洞身輪廓線外延伸，延伸方向與隧道走向垂直相交，未見邊界，見圖7(b)。

圖7 開挖揭示巖溶管道及溶腔Fig.7 Karst pipeline and cave revealed by excavation

5 結(jié) 論

應(yīng)用隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)，探明了掌子面前方的地質(zhì)情況，避免了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，為下一步工程處理提拱了地質(zhì)依據(jù)，有力保障了隧道的安全施工。

巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施過程中，不能過分依賴于單項(xiàng)方法的成果，應(yīng)采用長、短距離相結(jié)合，充分發(fā)揮各種預(yù)報(bào)方法的優(yōu)勢，相互指導(dǎo)、驗(yàn)證進(jìn)行綜合研判，以提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，地質(zhì)雷達(dá)、超前地質(zhì)鉆探和加深炮孔三種方法在短距離探測(或進(jìn)一步查清)巖溶規(guī)模、分布范圍及巖溶填充性質(zhì)時(shí)，精度相對較高，應(yīng)得到合理利用；施工過程中須注重加深炮孔探測的實(shí)施，作為臨近預(yù)報(bào)手段，其具有最后一道安全門的作用。