蘭福軍 ，張慶明 ，段永勝 ，劉星星 ，王羽 ，王不凡

（1重慶交通建設(shè)（集團）有限責(zé)任公司，重慶 400010；2重慶高速工程顧問有限公司，重慶 401121；3上海城建職業(yè)學(xué)院，上海 200438；4中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

做好巖溶地區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報工作是施工過程中防止或避免發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的重要任務(wù)[1]。巖溶環(huán)境隧道涌水超前預(yù)報系統(tǒng)涉及的設(shè)備主要包括TSP303隧道地震探測儀、SIR-4000地質(zhì)雷達、多功能超前地質(zhì)鉆機、瞬變電磁儀、三臂鑿巖臺車等。相較于傳統(tǒng)超前預(yù)報方法，將用于超前預(yù)報的設(shè)備進行有機結(jié)合，使設(shè)備間相互聯(lián)動，為解決巖溶隧道涌水的超前預(yù)報問題提出了一套系統(tǒng)化的解決方案。結(jié)合物探和鉆探中各設(shè)備的特點，總結(jié)出各個探測設(shè)備的具體使用流程，提高了對巖溶隧道掌子面前方涌水情況的探測精度，更好地保證了施工進度和施工人員的安全，解決了巖溶隧道涌水的超前預(yù)報難題，具有參考價值和推廣意義。

1 工程概況

城開隧道是重慶城口（陜渝界）至開州高速公路重大控制性工程之一，左線隧道起訖樁號為 ZK71+781～ZK83+270，長11489m；右線隧道起訖樁號為K71+778～K83+234，長11456m。適用于高壓富水巖溶地區(qū)隧道和地下工程施工開挖前的超前預(yù)測預(yù)報，先運用TSP303隧道地震探測儀測量隧道掌子面前方200m范圍內(nèi)大致地質(zhì)情況；然后利用SIR-4000地質(zhì)雷達對掌子面前方40m的范圍進行近距離、高精度的預(yù)報，驗證前方是否存在溶腔；使用多功能超前地質(zhì)鉆機對掌子面100m的距離進行水平探孔，通過記錄的鉆進深度來確定涌水的位置；再利用YCS400（A）礦用瞬變電磁儀來確定涌水位置處水源的方位；為更全面了解掌子面前方的地質(zhì)情況，提高鉆探效率，在掌子面四周使用三臂鑿巖臺車鉆取5個10m加深炮孔，進行探水、探氣。

通過使用巖溶環(huán)境的超前地質(zhì)預(yù)報集成系統(tǒng)，在巖溶隧道涌水超前預(yù)報方面取得了良好的效果，物探和鉆探有機結(jié)合，多手段、長短結(jié)合、區(qū)域?qū)９?，提高了超前預(yù)報的精度，也為隧道安全施工保駕護航[2]。

2 巖溶地區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報集成系統(tǒng)

2.1 工作原理

巖溶隧道涌水超前預(yù)報系統(tǒng)，是將不同的超前預(yù)報設(shè)備進行優(yōu)劣互補、綜合對比分析的超前預(yù)報方法。首先，使用TSP303隧道地震探測儀對需要探測的隧道掌子面進行探測，目的是探測掌子面前方200m范圍內(nèi)的危險斷層區(qū)域、溶洞和含水巖層情況，達到中長距離探測前方大致地質(zhì)情況的目的。然后利用地質(zhì)雷達對TSP303檢測到的地質(zhì)情況進行驗證，根據(jù)TSP303和地質(zhì)雷達綜合判斷掌子面前方是否存在溶腔。若沒有溶腔，在形成報告后匯報給總工繼續(xù)施工。若存在溶腔，使用多功能超前地質(zhì)鉆機進行水平鉆探，進一步確定溶腔的位置距離，根據(jù)鉆孔出現(xiàn)大量涌水時多功能超前地質(zhì)鉆機的鉆進深度，來判斷涌水位置距離掌子面的距離，達到短距離線性探測的目的[3-4]。接著利用瞬變電磁儀來確定涌水位置水源的具體方位，達到短距離、大斷面超前預(yù)報的目的。最后在掌子面進行爆破鉆孔前，使用三臂鑿巖臺車在多功能超前地質(zhì)鉆機的鉆孔周圍鉆取5個深10m的加深炮孔，利用加深炮孔系統(tǒng)分析驗證瞬變電磁儀的預(yù)報結(jié)果。如果不符合，則再次利用瞬變電磁儀進行超前預(yù)報；若符合，則生成巖溶隧道涌水超前預(yù)報報告，將預(yù)報結(jié)果匯報總工，制定施工方案后，方可繼續(xù)施工。

2.2 預(yù)測預(yù)報工藝流程

巖溶環(huán)境隧道施工超前預(yù)測預(yù)報集成技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

圖1 巖溶環(huán)境隧道施工超前預(yù)測預(yù)報集成圖

城開隧道施工超前預(yù)測預(yù)報，首先利用TSP303超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)對需要檢測的掌子面進行檢測，在進行檢測之前先在隧道的墻邊布設(shè)一條側(cè)線，沿著側(cè)線的走向布置一些炮點（大約為24個左右），以此激發(fā)小型人工震源，通過對TSP軟件處理成果進行評估，若發(fā)現(xiàn)S波反射比P波強，則表明巖層飽含水，需要再使用地質(zhì)雷達對前方巖層進行超前預(yù)報，兩者相互驗證，判斷前方是否存在溶腔。

根據(jù)TSP303和地質(zhì)雷達綜合判斷前方是否存在溶腔。若沒有，則形成報告匯報總工后繼續(xù)施工。若存在，則使用多功能超前地質(zhì)鉆機進行鉆探，確定溶腔內(nèi)涌水位置。

利用超前地質(zhì)鉆探手段，對每次鉆進進行記錄，包括此時的鉆孔位置、開孔時間、終孔時間、鉆進深度、沖洗液顏色和流量變化等。根據(jù)每次鉆進的地質(zhì)特征判斷掌子面后的地質(zhì)情況，當(dāng)出現(xiàn)大量涌水時則停止鉆進，該深度即為巖溶隧道涌水區(qū)位置。將超前地質(zhì)鉆機確定的涌水位置與TSP303的檢測結(jié)果進行對比、驗證，獲得詳盡的涌水區(qū)域位置、大小等情況。

為更加精確地預(yù)報掌子面前方的涌水情況，需要利用加深炮孔對瞬變電磁儀的預(yù)報結(jié)果進行二次驗證，從而確保掌子面前方40m范圍內(nèi)的涌水情況。

為解決掌子面前方10m范圍的探測，依據(jù)瞬變電磁儀生成的斷面圖，選取特定位置鉆取加深炮孔，從而判斷掌子面前方的巖溶涌水情況。加深炮孔應(yīng)較爆破孔深3m以上，孔徑與爆破孔相同，孔數(shù)和孔位根據(jù)瞬變電磁儀生成的斷面圖進行確定。

2.3 系統(tǒng)驗證分析

系統(tǒng)驗證分析是該技術(shù)的主要核心，也是該套超前地質(zhì)預(yù)報方法的中樞，將物探與鉆探結(jié)合起來，對以上所采用的各種預(yù)報手段獲得的資料進行歸納、分析、對比[5]。巖溶環(huán)境隧道施工超前預(yù)測預(yù)報技術(shù)是一種立體的、系統(tǒng)化的巖溶隧道涌水超前預(yù)報方法[6]，可以為巖溶隧道提供更加準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，同時也可以建立巖溶隧道涌水地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報機制，為巖溶隧道施工提供更安全的保障。

為解決掌子面前方10m范圍的探測，依據(jù)瞬變電磁儀生成的斷面圖，選取特定位置鉆取加深炮孔，從而判斷掌子面前方的巖溶涌水情況。加深炮孔應(yīng)較爆破孔深3m以上，孔徑與爆破孔相同，孔數(shù)和孔位根據(jù)瞬變電磁儀生成的斷面圖進行確定，如圖2所示。

圖2 三臂鑿巖臺車鉆取加深炮孔施工圖

根據(jù)TSP303隧道地震探測儀、SIR-4000地質(zhì)雷達、多功能超前地質(zhì)鉆機、瞬變電磁儀、三臂鑿巖臺車檢測的結(jié)果，可以更加系統(tǒng)地分析隧道掌子面圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和地下水情況，判斷掌子面前方圍巖的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征，并提出具有針對性的工程措施建議。根據(jù)開挖段及掌子面水文地質(zhì)情況，判斷是否進行注漿止水。通過系統(tǒng)驗證分析，還可以將掌子面出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)面以幾何作圖的形式進行預(yù)報，使超前預(yù)報更加形象、準(zhǔn)確。

城開隧道施工中，通過TSP和地質(zhì)雷達的探測發(fā)現(xiàn)，ZK0+830附近存在溶腔，地下水比較發(fā)育，可能會有涌水。采用超前地質(zhì)鉆孔與瞬變電磁儀相結(jié)合短距離超前地質(zhì)預(yù)報，兩者相互對比印證，初步探明掌子面前方ZK80+843～ZK80+830.8段異常區(qū)存在較強富水，如圖3所示。

圖3 ZK80+832.7溶洞形態(tài)圖

城開隧道通過采用巖溶隧道涌水超前預(yù)報系統(tǒng)化施工方法，精確探測到前方圍巖不良地質(zhì)災(zāi)害達15處。

3 結(jié)語

地質(zhì)工程師對TSP303隧道地震探測儀、SIR-4000地質(zhì)雷達、多功能超前地質(zhì)鉆機、瞬變電磁儀、三臂鑿巖臺車的檢測結(jié)果仔細分析后，應(yīng)形成準(zhǔn)確的分析報告，經(jīng)施工單位、監(jiān)理單位確認(rèn)，將其結(jié)果匯報總工，確立施工方案后，方可按照方案繼續(xù)施工。

該套超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)為巖溶隧道涌水超前預(yù)報系統(tǒng)化施工技術(shù)，是將不同的超前預(yù)報設(shè)備進行優(yōu)劣互補、綜合對比分析的超前預(yù)報方法。利用地質(zhì)雷達對TSP303檢測的地質(zhì)情況進行驗證，若判斷存在溶腔，使用多功能超前地質(zhì)鉆機進行水平鉆探，進一步確定溶腔的位置距離。接著利用瞬變電磁儀來確定涌水位置的水源具體方位，達到短距離、大斷面超前預(yù)報的目的。最后利用加深炮孔來系統(tǒng)分析、驗證瞬變電磁儀的預(yù)報結(jié)果。

超前地質(zhì)預(yù)報雖然需要一定的費用，會占用一定的施工時間，但在高壓富水巖溶發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害區(qū)其意義仍十分巨大。它可以提前做好應(yīng)對措施，減少和避免地質(zhì)災(zāi)害，特別是重大地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，減少和避免機械設(shè)備安全事故以及人員的傷亡，使不良地質(zhì)問題處于可控狀態(tài)。