隧道施工中溶洞超前地質(zhì)預報技術(shù)探討

姜洪亮，張紅波，

(1.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007;

2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室培育基地，廣西南寧530007)

隧道設(shè)計和施工前的工程地質(zhì)勘察，雖然在一定程度上對隧道的地質(zhì)狀況進行了預測、預報，但由于隧道地質(zhì)條件的復雜、勘察經(jīng)費少，特別是建設(shè)周期越來越短，勘察周期短，因此很多時候難以對隧道所處工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件特別是不良地質(zhì)體的分布、性質(zhì)及致災(zāi)可能性完全查清。因此加強隧道施工地質(zhì)超前預報工作是非常必要的。

1 超前地質(zhì)預報方法

超前地質(zhì)預報方法有很多種，按照探測原理可分為直接法、間接法及其它方法。直接法有地質(zhì)法和鉆孔探測法。間接法亦稱物探法，主要有隧道地震超前預報系統(tǒng)(TSP)、水平聲波剖面(HSP)法、陸地聲納法、地質(zhì)雷達(GPR)法和紅外探水法等。其中以地質(zhì)法為基礎(chǔ)，以超前鉆孔法、超前導坑法、地球物理探測方法等為輔助手段的隧道綜合地質(zhì)超前預報方法，也已得到隧道工程施工人員的認同。

地質(zhì)法是隧道地質(zhì)超前預報采用的一種基本方法。在隧道施工階段根據(jù)隧道施工期掌子面地質(zhì)條件變化，結(jié)合地表地質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)勘察結(jié)果，采用相關(guān)分析對隧道的地質(zhì)情況進行超前預報。地質(zhì)法隧道施工期地質(zhì)超前預報是任何其它隧道施工期地質(zhì)超前預報方法的基礎(chǔ)。

超前導坑法是根據(jù)超前施工的平行隧道或?qū)Э铀龅刭|(zhì)情況，推測掌子面前方的地質(zhì)情況，它是隧道施工期地質(zhì)預報的一種重要方法，特別是連拱式隧道和兩平行隧道間距較小時預報效果更好。

超前水平鉆孔是隧道施工期地質(zhì)超前預報方法中最直接的方法。通過對鉆進速度測試和鉆孔巖芯的觀察及相關(guān)試驗獲取隧道掌子面前方巖石(體)的強度指標、地層巖性資料、巖體完整程度指標及地下水狀況等諸多方面的資料。采用這種方法不僅可以確定隧道掌子面前方地質(zhì)情況，而且可以起到探水的作用。

地球物理探測方法有很多種，包括聲波CT層析成像法、波反射法、高密度電法、瞬變電磁法、紅外線探水等。目前在隧道超前地質(zhì)預報中使用較普遍的是波反射法，主要利用聲波、超聲波、地震波及電磁波在地層中傳播、反射，通過信號采集系統(tǒng)接收反射信號，判釋隧道掌子面前方反射界面(斷層、軟弱夾層等)距隧道掌子面的距離來進行隧道施工期地質(zhì)超前預報。

近10多年來，聲波反射法(HSP)、地震波反射法(包括負視速度法和TSP)、電磁波反射法(雷達)已廣泛應(yīng)用于隧道施工期地質(zhì)超前預報之中。

應(yīng)該指出的是，聲波反射法隧道地質(zhì)超前預報實際上是對隧道施工掌子面前方不良地質(zhì)體分布界面位置的預報，不良地質(zhì)體性質(zhì)的預報必須結(jié)合隧道施工地質(zhì)工作成果和預報人員豐富的地質(zhì)工作經(jīng)驗來實現(xiàn)。

2 工程實例

2.1 四方山隧道地質(zhì)概況

欽崇高速公路四方山隧道圍巖穿越地層為三疊系下統(tǒng)羅樓群(T11)灰?guī)r、砂巖，二疊系上統(tǒng)茅口組)和上統(tǒng)合山組與大隆組并層)灰?guī)r。根據(jù)地質(zhì)勘察了解，四方山隧道位于復式背斜之中，巖體傾角20°～30°，屬單斜構(gòu)造。

2.2 四方山隧道超前地質(zhì)預報方法

四方山隧道左洞ZK77+015附近圍巖為灰?guī)r，斷裂破碎帶發(fā)育，地下水較豐富，前方為三疊系下統(tǒng)羅樓群(T11)灰?guī)r與砂巖巖層交界處，擬采用地質(zhì)分析法推理和TGP隧道地震超前預報系統(tǒng)相結(jié)合的方法進行超前地質(zhì)預報。

2.2.1 地質(zhì)分析法

本隧道施工開挖至ZK77+015時，根據(jù)地質(zhì)勘察資料及掌子面跟蹤調(diào)查分析，掌子面前方圍巖為灰?guī)r與砂巖巖層交界處，預報段前段圍巖為質(zhì)純厚層灰?guī)r，質(zhì)純厚層狀灰?guī)r巖溶易發(fā)育，由于此區(qū)段位于巖層交界處，沿層面的構(gòu)造裂隙發(fā)育，為地下水的運動提供了空間，地下水不斷沿著巖石裂隙運移，對可溶巖進行化學溶蝕，形成空洞。通過地質(zhì)分析我們可以得出預報區(qū)段為巖溶易發(fā)育地段。

2.2.2TGP隧道地震超前預報系統(tǒng)

針對本段采用地震波反射法對前方地質(zhì)狀況的預報，采用TGP206型超前預報儀器對隧道進行了探測。

TGP隧道地震超前預報系統(tǒng)的震源點用少量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質(zhì)。反射的地震信號被高靈敏度的地震傳感器接收。數(shù)據(jù)通過TGPwin軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)、位置及規(guī)模。

本系統(tǒng)采用深度偏移使反射波基本能夠正確歸位，繞射波自動收斂，干涉帶自動分解，從而得到與掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造原像極為接近的偏移圖像。以深度偏移分析為主，結(jié)合速度評估與反射極性圖、反射數(shù)據(jù)表可以得出比較準確的超前地質(zhì)預報。

2.2.3 溶洞的地震波反射特性

隧道施工過程中遇到的溶洞可以分為充填型溶洞和無充填型溶洞，其中充填型溶洞可分為泥夾石充填型溶洞、軟弱夾泥充填型溶洞和地下水充填型溶洞。它們有各自的地震波反射特點。

泥夾塊石充填型溶洞深度偏移圖中正負反射層數(shù)量因充填物內(nèi)塊石粒徑和含量的差異而不同。當塊石粒徑和含量大時，正負反射層較多而雜亂，以負反射為主，單個反射條帶較窄、延伸性較差。

軟弱夾泥充填型溶洞地震波縱波反射強，如果富水性強，橫波反射也強。反射極性以強的負反射開始，以強的正反射結(jié)束，深度偏移圖反射帶內(nèi)正負反射層少、正負相間、以負反射為主，單個反射條帶寬、延伸性好。

地下水充填型溶洞縱橫波反射都較強，但橫波反射明顯較縱波反射強。

無充填型溶洞的探測難度較大。當溶洞邊界較平滑、邊界法向與隧道軸線小角度相交時，深度偏移以強的負反射開始，以強的正反射結(jié)束，反射帶內(nèi)正負反射層少、正負相間、以負反射為主。若溶洞邊界有一定的橫向延展性，但不夠平滑且邊界法向與隧道軸線大角度相交，或溶洞邊界法向垂直于隧道軸線，則縱橫波反射較弱，深度偏移不明顯，反射層短小，縱橫波速下降不明顯，不易引起注意。

2.3 預報結(jié)論及現(xiàn)場驗證

本工程TGP206預報結(jié)果見速度評估與反射極性圖及深度偏移圖見圖1～圖4。

結(jié)合地質(zhì)狀況對探測成果的分析，可以將本工程項目掌子面前方圍巖分為三個區(qū)段:

圖1 速度評估及反射極性圖

圖2 P波型偏移圖

圖3 SH波型偏移圖

圖4 SV波型偏移圖

(1)K77+015～K77+038段為泥夾石充填型溶洞。從偏移圖可以看出反射帶內(nèi)正負反射層層較多而雜亂，以負反射為主，且單個反射條帶窄、延伸性較差，推測此區(qū)段為泥夾石充填型溶洞，且塊石含量較多，粒徑較大。

(2)K77+038～K77+088段為軟弱夾泥充填型溶洞。此段縱橫波反射很強。偏移圖以縱波強烈的負反射開始，以強烈的正反射結(jié)束，反射帶內(nèi)正負反射層少、正負相間、以負反射為主，單個反射條帶寬、延伸性好。推測推測此區(qū)段為軟弱夾泥充填型溶洞，充填物富水。

(3)K77+088～K77+165段進入砂巖層。此段縱波反射很強。橫波反射較弱，深度偏移以強烈的正反射開始，推斷此段進入砂巖巖層，巖層交界附件位置含水量較大，后段含水量較少。

施工期揭露上述圍巖分段與預測基本一致，K77+015～036段為一處泥夾石充填型溶洞，充填物以粘土與塊石為主，塊石含量較多，且粒徑較大(見圖5)，K77+036～090段為軟弱夾泥充填型溶洞，充填物為黏土，且黏土含水量較大(見圖6)。

圖5 K77+025掌子面圍巖

圖6 K77+065掌子面圍巖

3 結(jié)束語

(1)運用超前地質(zhì)預報技術(shù)來指導隧道施工是很必要的，它對隧道施工有指導性的作用，確保了施工的安全進行。隧道施工應(yīng)把超前地質(zhì)預報工作當作一個重要環(huán)節(jié)納入施工工序，同時結(jié)合隧道的實際地質(zhì)條件，采取適當?shù)牡刭|(zhì)預報方法。

(2)目前超前地質(zhì)預報還存在著一些有待解決的問題有:

探測與施工難以并行。TGP超前預報系統(tǒng)，為了避免干擾，需要停止施工作業(yè)，才能取得較好的探測結(jié)果，而使施工不能得以進行，這將影響施工單位的施工進度與效益。

針對隧道探測環(huán)境較差的條件，如何排除干擾、提高信噪比，如何提高探測分辨率有待于進一步試驗研究。

圍巖揭露范圍小，難以觀其全貌，無法探測出溶洞的周邊位置，溶洞體積的大小。

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