綜合超前地質預報在天坪隧道施工中的應用

王明慧，魯軍良，楊仁春

(1．渝黔鐵路有限責任公司，重慶 400014;2．中鐵隧道勘測設計院，四川 成都 300133)

1 天坪隧道概況

天坪隧道起訖里程DK116+258—DK130+236，全長13.978 km，為渝黔鐵路全線最長的單洞雙線鐵路隧道，設計速度200 km/h，工期4年。隧道工程地質條件復雜，集高瓦斯、刺激性氣體、巖溶、斷層破碎帶、軟弱圍巖、大涌水量、高應力、高地溫、危巖、落石于一體，屬Ⅰ級高風險隧道。隧道洞身穿越多條斷層、節理密集帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶，施工中容易出現坍塌、涌水、突泥等安全風險，隧道涌水量大(預計隧道正常涌水量為83 773 m3/d，雨季最大涌水量為251 319 m3/d);DK127+850處洞身通過龍潭組煤系地層，為瓦斯突出區段，施工風險極大。隧道連續穿越C3，C5煤層，煤層厚2.45 m，瓦斯含量高，壓力大，且有瓦斯突出危險，隧道橫洞區段為瓦斯突出區段。

2 綜合超前地質預報方法及應用

2.1 預報方法

為保證隧道的施工安全，施工中應采用綜合超前地質探測、信息化監控和動態管理等方式對地表水、地下水、圍巖、支護狀態和瓦斯濃度進行監測，隨時掌握監測對象的狀態，建立監控量測管理基準值，有效降低地質災害的發生，確保施工及工程結構的安全。

在高風險隧道施工過程中，超前地質預報工作是保證隧道施工安全的重要環節和技術手段［1］。高風險隧道的風險類型多種多樣，應采用能相互印證的預報方法，以提高預報的準確率。

超前地質預報方法主要分為地質調查法、物探法、鉆探法、超前導坑法4大類［2］。目前國內隧道施工常用的地質預報手段有地質素描、TSP203、TGP、TRT6000、TST、紅外探測、地質雷達、高分辨直流電法、超前地質鉆探、加深炮孔和平行導坑等。

2.1.1 地質調查法

地質調查法是根據隧道已有勘察資料和洞內地質素描，通過地層產狀、層序對比、構造產狀及與隧道空間位置關系，結合隧道開挖揭示的圍巖巖性、產狀變化來推測開挖工作面前方地質情況的一種超前地質預報方法［3］，包括地表地質調查和洞內地質素描，適用于各種地質條件下的隧道預報，是所有隧道施工中普遍采用的預報手段之一。

2.1.2 物探法

物探法方法多，設備輕便，對施工干擾少，是超前地質預報的重要手段。物探資料只有在物性資料和地質資料齊全的基礎上進行定量解釋，才能獲得準確的解釋參數，在實際應用中往往存在多解性［4］。物探法按原理又可分為地震波反射法、紅外探測法、電磁波反射法、直流電法。其代表性的預報手段分別是TSP203、紅外探測、地質雷達、高分辨直流電法。

TSP203預報是通過地震波在圍巖中的傳播與反射來預報作業面前方地質情況，預報距離一般為100～150 m［5］。其對斷層、較大型溶洞、軟弱圍巖接觸帶等帶狀軟弱破碎帶預報較為準確，而對于小規模的裂隙、軟弱夾層、巖溶管道等預報精度不高，容易忽視。當施工地段圍巖條件差，地震波在圍巖中衰減損失嚴重時，則TSP203預報距離短，預報準確率差，不宜采用。與TSP203類似的預報方法有 TGP、TRT6000、TST。

紅外探測法是通過分析圍巖的紅外輻射場強值來判斷作業面前方地下水發育情況［6］，但不能探測圍巖強度和完整性，預報距離不大于30 m。而且，受隧道內施工環境干擾，預報距離短，預報精度不高，可以作為一種輔助手段，不宜單獨采用。

地質雷達法是通過電磁波在巖體中傳播與反射來探測作業面前方圍巖的完整性［7］，對30 m范圍內的寬張裂隙、溶槽、溶洞預報較為準確，因此主要用于可溶巖地段的巖溶預報。

高分辨直流電法是通過分析圍巖的電阻率差異來探測圍巖地下水的發育情況，預報距離一般不超過80 m，受隧道內環境因素影響較大，目前在鐵路隧道施工中并未普遍應用。

2.1.3 鉆探法

鉆探法分為超前地質鉆探和加深炮孔探測。超前地質鉆探是最直觀的一種超前地質預報方法，不存在物探手段經常發生的多解性，主要用于巖溶、不良地質段落的探測［8-9］;其缺點是探測費用高、占用施工時間長。因此，超前地質鉆探的一般設計孔數為1～3個。加深炮孔探測是在隧道開挖的鉆孔基礎上增加3～5個深炮孔，具有操作方便、費用低、占用隧道施工時間短，可作為超前地質鉆探的有效補充。

2.1.4 超前導坑法

超前導坑法是以超前導坑中揭示的地質情況，通過產狀分析進行地質填圖預報正洞地質條件的方法。適用于線間距較小的設計有平導洞的隧道或雙線隧道，以先行開挖的坑道預報后開挖坑道的地質條件。

2.2 綜合預報方法的應用

天坪隧道穿越的巖性有泥巖、砂巖和灰巖，主要有煤層瓦斯突出、巖溶、斷層突泥突水等風險源。針對天坪隧道地質條件和風險類型，確定采用以下預報手段:

1)非可溶巖(泥巖、砂巖)地段。當設計不存在地質構造或不良地質時，采用TSP、地質素描總體確定局部是否存在小型斷層、褶皺，輔以加深炮孔探測基巖裂隙水發育情況;當探測到斷層或其他地質構造時，再補充超前地質探孔進行驗證，確定構造規模、圍巖完整性及地下水發育情況。

2)可溶巖(灰巖)地段。地質預報以單孔超前地質鉆探為主，通過地質素描、TSP預報巖溶發育程度，輔以地質雷達、加深炮孔確定巖溶裂隙、管道、溶槽、溶洞等具體的巖溶發育形態。

3)斷層破碎帶、煤系地層等不良地質地段。通過地質素描、TSP總體控制不良地質可能存在位置，輔以地質雷達、超前地質鉆探、加深炮孔進一步確定其發育規模、富水情況。

按照上述預報原則，天坪隧道施工中超前預報出了斷層破碎帶、巖溶裂隙、溶槽等，準確地指導了施工。

天坪隧道橫洞在開挖至HDK1+400時地質素描(見圖1)確定該地段為可溶巖，發育巖溶裂隙，判定巖溶中等發育，應加強巖溶探測工作。施工中在以單孔超前地質鉆探為主，以TSP203遠距離控制預報為前提的基礎上，輔以地質雷達、加深炮孔進行巖溶發育形態探測。

圖1 HDK1+400地質素描

在HDK1+328里程處進行的地質雷達探測結果顯示，HDK1+308—HDK1+300段存在異常(見圖2)，判斷該段發育寬張巖溶裂隙或溶槽。

圖2 地質雷達解譯

在HDK1+315里程處進行的超前地質探孔探測到HDK1+308處發育一條溶槽，并揭示高壓涌水，瞬時涌水量約500 m3/h，水質渾濁，排放后涌水量逐漸減少，最后變為滲水。

結合地質素描和加深炮孔結果分析:該溶槽與橫洞斜交，從左邊墻向前方延伸，由微張的節理裂隙溶蝕發展為溶槽，最寬處為1 m，充填大量流塑狀巖溶泥，見圖3。

圖3 溶槽發育位置平面示意

在HDK1+330里程處進行的TSP203探測結果顯示(見圖4)，前方100 m圍巖較破碎～破碎，巖溶中等～強烈發育，局部溶蝕裂隙發育，存在軟弱破碎帶、溶洞、溶槽等，特別是HDK1+310—HDK1+305段圍巖較差，施工中易產生塌方、拱部掉塊、涌水等地質災害。

圖4 TSP法反射層位及物理力學參數結果

此次預報通過合理的運用地質素描、TSP203、地質雷達、超前地質鉆孔、加深炮孔等預報手段超前準確探明了溶槽發育情況，避免突泥涌水事故的發生，并為調整和優化隧道設計參數、預防地質災害等提供了準確的依據。

3 結語

由于對不良地質體的認識和判別存在主觀偏差，而且勘測、測試手段的局限性和人為解譯的差異性，難以保證超前地質預報的準確和及時。每一種預報都有一定適用范圍和預報優勢，因此，應該根據圍巖巖性、不良地質類型有針對性地選用合適的預報方法。

1)同一類的預報方法，比如TSP、TGP、TST都是以分析反射的地震波為基本原理，若要采用此類物探方法，可以選用其中一種。

2)物探法預報受隧道內施工環境影響較大，當現場數據采集條件較差時，探測結果易出現多解。要保證物探法準確率就應做好數據采集準備工作，減少施工對預報的干擾。

3)為確保地質預報的準確度，應采用長短距離預報相結合的方式。

4)超前地質預報應該由專業的地質、物探專業人員進行實施，以保證預報準確性，避免出現漏報。

［1］何發亮，李蒼松．隧道施工期地質超前預報技術的發展［J］．現代隧道技術，2001(3):410-411．

［2］王明柱，葉建．TSP203在保上隧道超前地質預報中的應用［J］．公路與汽運，2011(3):188-190．

［3］吳泰然，何國琦．普通地質學［M］．北京:北京大學出版社，2003．

［4］曾昭璜．隧道地震反射法超前預報［J］．地球物理學報，1994(2):268-270．

［5］馮順劍．TSP203在蒼嶺隧道超前地質預報中的應用［J］．四川建筑，2006(4):74-76．

［6］郎玉光．隧道超前地質預報綜合技術［J］．鐵道建筑，2007(12):48-50．

［7］李大心．探地雷達原理與應用［M］．北京:地質出版社，1994．

［8］劉志剛，趙勇．隧道隧洞施工地質技術［M］．北京:中國鐵道出版社，2001．

［9］陳萬青，趙勇．綜合超前地質預報技術在朱砂堡2#巖溶隧道中的應用［J］．鐵道建筑，2013(7):65-67．