七步法三步物探，岩溶隧道超前地质预报应用案例

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七步法超前地质预报在高铁岩溶隧道中的应用

陈超

中铁第四勘察设计院集团有限公司

         

作者简介： 陈超 ，2015年毕业于爱荷华州立大学岩土工程专业，理学硕士，工程师。

         

导读：

岩溶隧道 是铁路等工程建设中的难点之一 ，由于 岩溶发育程度的不确定性、随机性和隐蔽性 ， 单一的预报方式和数据采集方法 易受制于现场条件 ， 无法准确预测前方的不良地质体 ，严重威胁施工人员的安全和工程进度。

为了降低岩溶隧道施工突水等风险 ， 在中国中铁股份有限公司科技开发计划重点课题(产品-研-2016-33-2)资助下 ， 本文基于地质调查法、多种物探法 和 超前钻探法 相结合的综合超前地质预报方法 ， 并在此基础上设计 岩溶隧道“七步法”超前地质预报方案 ，用于探测岩溶隧道的工程、水文地质条件。

已有 张吉怀高铁永顺隧道 的 实际应用表明 ，该方法 可精准定位掌子面前方不良地质体空间 范围与位置， 提高预报精准度 ，降低施工安全风险。

“七步法”是指： 1资料分析、2方法选择、3地震波反射法、4三维扇状瞬变电磁法超前地质预报、5地质雷达法、6物理式验证、7成果提交 ， 采用了以综合物探为主且有条理地系统性、多方案结合的预报方式 ， 有助于自检和提高预报准确性 。本文结合工程实例介绍了应用情况， 可供其它隧道 等地下工程参考 。

           

- ----- 内容提纲- -----

         

0 引言

1 项目概况

2 超前地质预报常见方法及对应特征

3 岩溶隧道“七步法”超前地质预报技术方案

4 工程实例

4.1 七步法超前地质预报成果

4.2 七步法超前地质预报的总结

5 结语

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0   引言

岩溶隧道是铁路建设中的难点之一， 由于岩溶发育程度的不确定性、随机性和隐蔽性 ， 单一的预报方式和数据采集方法易受制于现场条件 ， 无法准确预测前方的不良地质体 ，严重威胁施工人员的安全和工程进度。 如何针对岩溶的特点，选择适合的预报方法、建立系统有效的探测方案 ， 对于提高预报成果的准确性十分重要。

已有部分学者针对综合超前地质预报技术开展研究 。 覃晖等结合地震波反射、地质雷达和红外探水法3种方法 来验证预报成果 ；陈德君等提出将物探、钻探组合应用， 可相互验证且发挥各自长处 ； 邢修举将运用在煤矿探水的2D瞬变电磁法改进为3D瞬变电磁探测技术 ，对隧道立体空间的岩溶水探测提供技术支持 ； 晏军采用钻探与物探成果对比分析 ，验证 地震波反射、地质雷达、瞬变电磁法 的预报成果 ； 韦建昌等以某隧道突水涌泥事故案例为工程依托 ，阐明了超前水平钻探在超前地质预报方法中重要性 ； 周桃生等通过旗杆山隧道超前地质预报的案例 ， 验证采用物探法与钻探法结合的超前地质预报组合模式 对高风险岩溶隧道的预测有一定参考价值 ； 曹强等对岩溶隧道综合预报的各种方法优缺点进行探讨 ，并初步形成一套综合预报的流程体系。

以上综合预报方法 都在一定程度上提高了超前地质预报的精度与可靠性， 但其系统性和对现场突发情况的应对仍显不足 。 在前人研究的基础上，研究了 基于地质调查法，多种物探法和超前钻探法 相结合的综合超前地质预报方法， 并在此基础上设计了 “DA-MS-TSP-3DSTEM-GPR-PV-RS”形式的 “岩溶隧道七步法超前地质预报方案” ，用于探测张吉怀高铁岩溶隧道的工程、水文地质条件， 以期取得良好的预测结果。

1 项目概况

张家界—吉首—怀化高速铁路 位于我国西南山区，是二湛高铁的主干线路。 沿线岩溶洼地、槽谷、落水洞广泛发育， 地下岩溶管道、暗河常树枝状展布，极易发生岩溶突水、突泥灾害 ，对工程建设和施工人员的生命安全构成重大威胁。

张吉怀高铁为设计速度350 km/h的双线高速铁路，正线线间距5 m，最大坡度20‰。 永顺隧道是张吉怀高铁最长的岩溶隧道， 位于湖南省湘西州永顺县境内， 全长12 083.27 m，最大埋深490 m。 工程区分布有松柏向斜，核部由奥陶系纯灰岩和白云岩组成。 工程区主要不良地质为岩溶，穿越的可溶岩地段岩溶强烈发育 ，地表 可见岩溶洼地，漏斗等岩溶地貌，施工易发生突水、突泥灾害 ， 属于高风险隧道 。 超前地质预报作为岩溶隧道施工中的重要一环 ，对指导制定施工方案、保障施工安全具有关键性作用。

2 超前地质预报常见方法及对应特征

常用超前地质预报方法可以分为四大类 ，即 地质分析法、物探法、超前钻探法和导坑法 ，这些方法各自的技术特征见表1。

表1 9种超前地质预报方法特性对比分析          

         

由表1可知， 地表补充调绘法和地质素描法 分别 从隧道外部、内部，宏观区域和微观掌子面 对隧道围岩情况进行判断，但精确度因人而异存在局限性 ； 地震波反射法、瞬变电磁法、地质雷达法等物探方法 ， 在掌子面及一定距离洞身面进行数据采集 ， 通过判断岩层内不同介质的密度、弹性、导电性的差异 ， 从而获得掌子面前方30～120 m范围内 岩体的物理性质及潜水分布信息 ； 超前水平钻法 和加深炮孔法属于机械钻探 ，成果直观无多解性， 但受作业工人技术与经验影响大 ，再加上经济性较差， 一般作为辅助验证手段 。 超前导坑法 通过对(平行或正洞)导坑开挖， 对隧道正洞的情况进行预演 ， 预报效果最好但成本最高 。

综上所述， 超前地质预报探测手段多样， 优缺点明显，只有综合利用、扬长避短、互相验证 ， 通过成熟的预报方案体系 才能 提高预报隧道突水、突泥准确性 ， 将岩溶隧道施工安全风险降到最低。

3 岩溶隧道“七步法”超前地质预报技术方案

不同的预报方法 有着不同的作业范围、探测距离、探测精度， 由于岩溶发育程度的不确定性、随机性和隐蔽性 ，单一的预报方式和数据采集方法 都会受制于现场条件，无法很好地 对前方未知的不良地质体进行准确的预测。 只有通过综合的、系统的、互补的预报方法 ，对各预报方法取长补短，才能实现最佳的预报结果。 在结合各预报方法的特点、地质预报实施细则和多年超前地质预报工作的经验基础上 ， 提出了岩溶隧道超前地质预报方案 (见表2)。

表2 岩溶隧道“七步法”超前地质预报技术方案

         

“七步法”探测方案中， 先通过分析勘察阶段地质资料 ，加深对工程区(洞外)地质情况的宏观理解， 洞内结合掌子面素描 等揭示地质情况、设计资料及地下水发育情况 制作工作联系单 ，为后续洞内预报方法的选择提供指导。 地震波反射法对构造的控制较好 ，但缺乏对岩溶水、断层或节理密集带的识别。针对这一特性， 三维瞬变电磁法 凭借其优异的探水能力和较远的探测长度很好地 弥补了地震波反射法的短处 ， 并在空间范围上对岩溶实现了精准的定位 。 地质雷达 作为短距离、高精度的物探方法， 可以针对性地对构造和含水异常区进行复测， 优化整体物探方法的精度，凭借其准确的定位 来辅助钻探布孔，提高预报经济性。 最后，钻探的直观验证和孔内摄像 提供了可靠的事实依据， 对施工风险控制起到了决定性 作用。七步法超前地质预报流程见图1。

图1 七步法超前地质预报流程

该方案充分发挥了各预报方法的优点 ， 利用各方法的优势对不良地质体进行剖析与推测， 最后通过钻探法进行物理验证 ， 做到了对不良地质体 多方法、多属性、多角度、多探测长度的综合控制。

4 工程实例

工点位于永顺隧道正洞出口DK67+913处 ，该隧道段位于岩溶斜坡带 ，自然条件复杂， 围岩为寒武系上统追屯组白云质灰岩 ， 属纯碳酸盐岩极强岩溶岩组 ，岩层倾向西北(倾角25°)。 此处还发育J8节理密集带，且属地下水水平径流带，岩溶水很发育 ，区段最大涌水量133 239.6 m ³ /d， 存在极大突水、突泥风险 。 现场见掌子面中下部有溶洞发育， 左侧为空溶洞，右侧溶洞泥质充填；DK67+907隧底距掌子面底部2 m处有溶腔，隧道纵断面见图2。

图2 永顺隧道出口段地质纵断面

4.1 七步法超前地质预报成果

(1)地质勘察及设计资料

项目勘察阶段收集、分析了大量区域地质资料 ，在此基础上 通过地表勘察、大面积测绘和音频大地电磁法 等综合手段对隧址区进行详细勘察 。结合深孔钻探资料，对物探解译异常地区进行综合分析， 基本查明了岩溶的分布范围、断层特性及产状 。勘察结果揭示，DK65+520～DK68+522段地质较复杂、岩溶强烈发育， 且存在较为明显的节理密集带，线路左侧为孔家湾槽谷，地表存在多处岩溶洼地、漏斗、落水洞等强溶蚀现象、含水丰富、地下径流十分通畅 。由此可见，隧道极大可能通过暗河管道， 施工可能诱发突水、突泥灾害 。

(2)动态工作联系单

根据设计资料和超前地质预报实施细则， 并结合掌子面素描等揭示地质情况及地下水发育情况 ，当隧道正洞出口开挖至DK67+964处， 掌子面灰岩节理裂隙发育，岩体整体较破碎，且地震波反射物探报告显示 ，前方20～120 m处有明显物探异常， 推测为小溶洞发育，泥质充填 。随后，每100 m地质素描循环1次， 地震波反射、地质雷达、瞬变电磁贯通 ， 超前水平钻3孔贯通，加深炮孔9孔贯通。 在DK67+946和DK67+922处施作地质雷达， 确定溶洞在掌子面的大致位置， 在DK67+922处 施作瞬变电磁 ， 确定岩溶发育区的范围和岩溶水的发育程度， 在DK67+915处施作4孔超前钻探， 从而最终确定溶洞的大小和充填物情况 (见图3)。

图3 溶洞揭示情况

(3)物探法预报成果

①地震波反射法预报成果

DK67+925～DK67+885段， 纵波速度值有较大的起伏变化，局部呈明显相对低速 ， 同时该段纵横波偏移归位图上强反射界面极为密集 。推测为岩溶裂隙发育带， 局部溶洞发育，泥质充填 。

DK67+942、DK67+860处 存在较强的纵波反射界面，推测该处附近发育有一定规模的裂隙组合或小型溶洞 。但因物探异常区与当前掌子面有一定距离，故建议围岩暂维持原设计，待下次超前地质预报成果报告出来后再行判定围岩级别。 地震波反射超前预报反射层位及参数分布见图4 。

图4 地震波反射超前预报反射层位图及参数分布

②三维瞬变电磁法预报成果

在DK67+922掌子面前方(顺隧道掘进方向)10～27 m区段， 局部存在相对较明显的低阻异常区。 异常主要集中在待掘隧道前方该区段的洞轴线左侧20 m～右侧25 m、顶部20 m～底部10 m范围内， 推测为岩溶发育区，泥质充填，岩溶水弱发育 。 三维瞬变电磁的结果进一步缩小了岩溶发育区的范围 ，并提示了岩溶水发育程度， 为后续施工安全和超前钻探的孔位布置提供了可靠依据 。三维瞬变电磁法二维、三维成果分别见图5、图6。

图5 瞬变电磁二维视电阻率断面成果

         

图6 瞬变电磁三维视异常空间分布成果(单位：m)

③地质雷达法预报成果

DK67+914～DK67+903段 雷达电磁波反射信号极为强烈 ， 局部位置呈弧形反射，推测该段为溶洞发育区， 泥质填充，溶洞最大处覆盖整个掌子面。

DK67+903～DK67+892段因现场施工台车干扰， 有效预报距离仅为19 m 。 在参考上一份瞬变电磁的超前地质预报结果后 ，建议DK67+914～DK67+903段围岩变更为Ⅴ级， 并立即在物探异常方位的掌子面实施超前钻探工作 。地质雷达深度剖面见图7。

         

图7 地质雷达水平上测线(左)、下测线(右)深度剖面

(4)钻探法验证成果

在确保施工安全的前提下， 在DK67+914掌子面处进行超前钻探探测工作，共施作钻孔4个 (见图8)，孔深均为30 m，倾角分别为仰角12°，左偏11°，右偏11°，俯角12°。钻孔YCK-30-01无异常； 其中，钻孔YCK-30-02中 0～3 m为弱风化灰岩，3 m后钻杆突进，遇溶洞，无涌水无填充物 ；钻孔YCK-30-03中0～1.5 m为弱风化灰岩， 1.5 m后钻杆突进遇溶洞，循环水呈黄色，黏土填充 ；钻孔YCK-30-04中 0～8.5 m为弱风化灰岩， 8.5 m后钻杆突进，遇溶洞，无涌水无填充物 。 超前钻探的资料进一步确定了岩溶的实际位置与发育情况 ，很好验证了物探结果。

图8 超前钻探孔位布置(单位：cm)

(5)对施工风险的提示与建议

隧道施工综合超前地质预报成果报告 包含了工程概况、现场施工情况、往期预报成果追踪、物探结果、钻探结果和综合分析与建议6部分， 综合报告在整合并分析了物探资料、超前钻探资料、隧道实际开挖揭示地质情况、设计资料及水文监测资料后 对风险进行了提示：DK67+915～DK67+885段中下 部为溶洞发育区， 溶洞沿线路方向宽30～40 m， 并要求施工开挖中谨慎掘进 ， 同时注意隧道的支护措施，确保施工安全 。随后将编写的超前地质预报成果报告 上传至“铁路工程管理平台”， 为后续选择该溶洞的处理方案提供可靠资料。

4.2 七步法超前地质预报的总结

通过对张吉怀高铁永顺隧道出口DK67+915附近处溶洞揭示过程的分析， 总结出“七步法”的应用经验 ： ①工作联系单 应根据现场情况和相应资料对施工措施及时进行动态调整； ②地震波反射法 判断岩层内不同介质的差异较为准确， 三维瞬变电磁对水源十分敏感 ； ③三维瞬变电磁法 解决了原二维平面法无法确定掌子面前方不良地质体空间范围的难题 ，可以更好地定位出溶洞大小和岩溶水发育情况； ④地质雷达 对破碎带和含水体有较好识别能力，但因为金属对电磁波的“绝缘性”， 施工现场的复杂情况往往导致地质雷达无法获得良好的数据 ； ⑤超前钻探 虽然有效距离只有30 m，但仍是目前阶段最可靠、最直观的探测不良地质的方法。 七步法超前地质预报探测的案例成果分析见表3。

表3 七步法超前地质预报探测的案例成果分析

5 结语

(1)在岩溶隧道超前地质预报中 ， 由于岩溶发育空间分布的复杂性和充填物的多样性，单一超前地质预报方法具有其局限性， 综合且有条理地进行系统性、多方案结合的预报方式有助于自检和提高预报准确性。

(2)通过精细化采集控制 ， 三维瞬变电磁探测方法实现了预报数据在空间的均匀分布，完成了低阻异常体形态的准确探测与解释 ，凭借其优异的探水能力，不仅较为准确地探识了溶洞发育的位置和大小， 还提示了岩溶水的发育程度，为后续隧道的施工方案提供了可靠的技术与安全支持。

(3)以“DA-MS-TSP-STEM3D-GPR-PV-RS”形式的岩溶隧道“七步法”超前地质预报技术方案， 实现了洞内洞外、多方法、多属性、多角度、多探测长度的综合预报控制， 较好地解决了岩溶超前预报难的问题。

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原文来源： 《铁道勘察》 2023年第4期 P122-129页

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