岩溶环境隧道涌水超前预报集成系统技术研究

兰福军 ，张庆明 ，段永胜 ，刘星星 ，王羽 ，王不凡

（1重庆交通建设（集团）有限责任公司，重庆 400010；2重庆高速工程顾问有限公司，重庆 401121；3上海城建职业学院，上海 200438；4中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

做好岩溶地区的超前地质预报工作是施工过程中防止或避免发生地质灾害的重要任务[1]。岩溶环境隧道涌水超前预报系统涉及的设备主要包括TSP303隧道地震探测仪、SIR-4000地质雷达、多功能超前地质钻机、瞬变电磁仪、三臂凿岩台车等。相较于传统超前预报方法，将用于超前预报的设备进行有机结合，使设备间相互联动，为解决岩溶隧道涌水的超前预报问题提出了一套系统化的解决方案。结合物探和钻探中各设备的特点，总结出各个探测设备的具体使用流程，提高了对岩溶隧道掌子面前方涌水情况的探测精度，更好地保证了施工进度和施工人员的安全，解决了岩溶隧道涌水的超前预报难题，具有参考价值和推广意义。

1 工程概况

城开隧道是重庆城口（陕渝界）至开州高速公路重大控制性工程之一，左线隧道起讫桩号为 ZK71+781～ZK83+270，长11489m；右线隧道起讫桩号为K71+778～K83+234，长11456m。适用于高压富水岩溶地区隧道和地下工程施工开挖前的超前预测预报，先运用TSP303隧道地震探测仪测量隧道掌子面前方200m范围内大致地质情况；然后利用SIR-4000地质雷达对掌子面前方40m的范围进行近距离、高精度的预报，验证前方是否存在溶腔；使用多功能超前地质钻机对掌子面100m的距离进行水平探孔，通过记录的钻进深度来确定涌水的位置；再利用YCS400（A）矿用瞬变电磁仪来确定涌水位置处水源的方位；为更全面了解掌子面前方的地质情况，提高钻探效率，在掌子面四周使用三臂凿岩台车钻取5个10m加深炮孔，进行探水、探气。

通过使用岩溶环境的超前地质预报集成系统，在岩溶隧道涌水超前预报方面取得了良好的效果，物探和钻探有机结合，多手段、长短结合、区域专攻，提高了超前预报的精度，也为隧道安全施工保驾护航[2]。

2 岩溶地区的超前地质预报集成系统

2.1 工作原理

岩溶隧道涌水超前预报系统，是将不同的超前预报设备进行优劣互补、综合对比分析的超前预报方法。首先，使用TSP303隧道地震探测仪对需要探测的隧道掌子面进行探测，目的是探测掌子面前方200m范围内的危险断层区域、溶洞和含水岩层情况，达到中长距离探测前方大致地质情况的目的。然后利用地质雷达对TSP303检测到的地质情况进行验证，根据TSP303和地质雷达综合判断掌子面前方是否存在溶腔。若没有溶腔，在形成报告后汇报给总工继续施工。若存在溶腔，使用多功能超前地质钻机进行水平钻探，进一步确定溶腔的位置距离，根据钻孔出现大量涌水时多功能超前地质钻机的钻进深度，来判断涌水位置距离掌子面的距离，达到短距离线性探测的目的[3-4]。接着利用瞬变电磁仪来确定涌水位置水源的具体方位，达到短距离、大断面超前预报的目的。最后在掌子面进行爆破钻孔前，使用三臂凿岩台车在多功能超前地质钻机的钻孔周围钻取5个深10m的加深炮孔，利用加深炮孔系统分析验证瞬变电磁仪的预报结果。如果不符合，则再次利用瞬变电磁仪进行超前预报；若符合，则生成岩溶隧道涌水超前预报报告，将预报结果汇报总工，制定施工方案后，方可继续施工。

2.2 预测预报工艺流程

岩溶环境隧道施工超前预测预报集成技术的工艺流程如图1所示。

图1 岩溶环境隧道施工超前预测预报集成图

城开隧道施工超前预测预报，首先利用TSP303超前地质预报系统对需要检测的掌子面进行检测，在进行检测之前先在隧道的墙边布设一条侧线，沿着侧线的走向布置一些炮点（大约为24个左右），以此激发小型人工震源，通过对TSP软件处理成果进行评估，若发现S波反射比P波强，则表明岩层饱含水，需要再使用地质雷达对前方岩层进行超前预报，两者相互验证，判断前方是否存在溶腔。

根据TSP303和地质雷达综合判断前方是否存在溶腔。若没有，则形成报告汇报总工后继续施工。若存在，则使用多功能超前地质钻机进行钻探，确定溶腔内涌水位置。

利用超前地质钻探手段，对每次钻进进行记录，包括此时的钻孔位置、开孔时间、终孔时间、钻进深度、冲洗液颜色和流量变化等。根据每次钻进的地质特征判断掌子面后的地质情况，当出现大量涌水时则停止钻进，该深度即为岩溶隧道涌水区位置。将超前地质钻机确定的涌水位置与TSP303的检测结果进行对比、验证，获得详尽的涌水区域位置、大小等情况。

为更加精确地预报掌子面前方的涌水情况，需要利用加深炮孔对瞬变电磁仪的预报结果进行二次验证，从而确保掌子面前方40m范围内的涌水情况。

为解决掌子面前方10m范围的探测，依据瞬变电磁仪生成的断面图，选取特定位置钻取加深炮孔，从而判断掌子面前方的岩溶涌水情况。加深炮孔应较爆破孔深3m以上，孔径与爆破孔相同，孔数和孔位根据瞬变电磁仪生成的断面图进行确定。

2.3 系统验证分析

系统验证分析是该技术的主要核心，也是该套超前地质预报方法的中枢，将物探与钻探结合起来，对以上所采用的各种预报手段获得的资料进行归纳、分析、对比[5]。岩溶环境隧道施工超前预测预报技术是一种立体的、系统化的岩溶隧道涌水超前预报方法[6]，可以为岩溶隧道提供更加准确的地质资料，同时也可以建立岩溶隧道涌水地质灾害预警预报机制，为岩溶隧道施工提供更安全的保障。

为解决掌子面前方10m范围的探测，依据瞬变电磁仪生成的断面图，选取特定位置钻取加深炮孔，从而判断掌子面前方的岩溶涌水情况。加深炮孔应较爆破孔深3m以上，孔径与爆破孔相同，孔数和孔位根据瞬变电磁仪生成的断面图进行确定，如图2所示。

图2 三臂凿岩台车钻取加深炮孔施工图

根据TSP303隧道地震探测仪、SIR-4000地质雷达、多功能超前地质钻机、瞬变电磁仪、三臂凿岩台车检测的结果，可以更加系统地分析隧道掌子面围岩的岩性、结构、构造和地下水情况，判断掌子面前方围岩的工程地质、水文地质特征，并提出具有针对性的工程措施建议。根据开挖段及掌子面水文地质情况，判断是否进行注浆止水。通过系统验证分析，还可以将掌子面出现的结构面以几何作图的形式进行预报，使超前预报更加形象、准确。

城开隧道施工中，通过TSP和地质雷达的探测发现，ZK0+830附近存在溶腔，地下水比较发育，可能会有涌水。采用超前地质钻孔与瞬变电磁仪相结合短距离超前地质预报，两者相互对比印证，初步探明掌子面前方ZK80+843～ZK80+830.8段异常区存在较强富水，如图3所示。

图3 ZK80+832.7溶洞形态图

城开隧道通过采用岩溶隧道涌水超前预报系统化施工方法，精确探测到前方围岩不良地质灾害达15处。

3 结语

地质工程师对TSP303隧道地震探测仪、SIR-4000地质雷达、多功能超前地质钻机、瞬变电磁仪、三臂凿岩台车的检测结果仔细分析后，应形成准确的分析报告，经施工单位、监理单位确认，将其结果汇报总工，确立施工方案后，方可按照方案继续施工。

该套超前地质预报技术为岩溶隧道涌水超前预报系统化施工技术，是将不同的超前预报设备进行优劣互补、综合对比分析的超前预报方法。利用地质雷达对TSP303检测的地质情况进行验证，若判断存在溶腔，使用多功能超前地质钻机进行水平钻探，进一步确定溶腔的位置距离。接着利用瞬变电磁仪来确定涌水位置的水源具体方位，达到短距离、大断面超前预报的目的。最后利用加深炮孔来系统分析、验证瞬变电磁仪的预报结果。

超前地质预报虽然需要一定的费用，会占用一定的施工时间，但在高压富水岩溶发育地质灾害区其意义仍十分巨大。它可以提前做好应对措施，减少和避免地质灾害，特别是重大地质灾害的发生，减少和避免机械设备安全事故以及人员的伤亡，使不良地质问题处于可控状态。