超前地质预报综合物探技术在马鹿箐隧道施工中的应用.docx

超前地质预报综合物探技术在马鹿箐隧道施工中的应用
刘 志 国
（中铁十一局五公司）
摘 要：马鹿箐隧道运用超前地质预报综合物探技术，通过采用不同的预报手段和不断的总结改进，成功提前探测出多条暗河和溶腔，提前采取有效的施工措施，加快了施工进度，保证了施工安全。
关键词：马鹿箐隧道；超前地质预报；溶腔；物探
一 工程概况
马鹿箐隧道位于恩施市和利川市交界处，隧道进口在罗针田镇梨子坪，出口在团堡镇道湾。马鹿箐隧道一线全长7879m，进口进洞里程为DK251+273;出口里程为DK259+152。在一线左侧30米设置的贯通平行导坑扩建成二线，二线全长7836m，进口里程为ⅡDK251+292;出口里程为ⅡDK259+128。
隧道位于中山区，地形陡峻，丘坡自然坡度25～50°，基岩大部裸露，植被发育。隧道穿越的地层主要有志留系中统纱帽组（S2S）砂质页岩、砂岩、页岩；泥盆系（D2＋3）石英砂岩、泥灰岩、页岩；二叠系栖霞组（P1q）灰质页岩夹煤层、灰岩夹炭质钙质页岩、灰岩；茅口组（P1m）灰岩；吴家坪组（P2w）页岩、灰质页岩夹煤层；长兴组（P2c）灰岩；三叠系大治组（T1d）页岩、泥页岩、泥灰岩和灰岩；嘉陵江组（T1j）灰岩、白云岩、页岩。洞身通过广泛分布的可岩溶地层，岩溶发育强烈，水文地质条件、地质构造复杂。正常涌水量为363896m3/d，最大涌水量为1761080m3/d。
马鹿箐隧道出口工区地质情况复杂，隧道穿越多条暗河和大型富水溶腔，隧道主要工程地质问题是强可溶的碳酸岩岩溶、岩溶水、溶洞、暗河，栖霞组、长兴组、大治组底部接触带，深切密集节理带和煤系地层瓦斯，深埋地段可能出现硬岩岩爆及软岩塑性变形现象。
二 超前地质预报的目的
由于马鹿箐隧道地质条件很复杂，隧道穿越多条暗河和大型富水溶腔，岩溶发育的复杂多变、可能会产生大量突泥、涌水、涌砂。施工必须进行超前地质预报,以减少或避免因突泥、涌水、涌砂而造成的损失；为制定施工方案和措施提供必要的参数,如地下水压力、水量、管道岩溶的大小、方位以及含煤地层的瓦斯参数等；搞好地质超前预报可以节约大量资金，因为石灰岩地层的隧道特点是:岩溶发育地段,地下水活动频繁,一方面加剧岩溶的发育,另一方面大量块石、泥沙充填在溶洞中,围岩稳定性极差;岩溶不发育地段,地下水活动缓慢,岩层中大部分节理裂隙被地下水中析出的方解石充填,围岩稳定性较好，因此,有了准确的预报就可以减少很多不必要的安全措施。
三 各种超前地质物探手段的原理
1、TSP203探测
TSP203探测是根据地震波的回波原理，人工制造一系列有规则排列的轻微震源，利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性,预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况。产生的地震波信号在隧道周围岩体内传播,当岩石强度发生变化时,信号的一部分被返回。界面两侧岩石的强度差别越大,反射回来的信号也就越强。由三维地震波接收器在计算机的监控下采集这些震源所发出地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体（如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等）被反射返回的地震波数据。这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的，通过分析可以得到前方地层的地质力学参数。
2、红外探测
红外探测属广义遥感技术,它建立在红外辐射场的基础上。地球上一切物质,每时每刻都在向外辐射红外电磁波,并形成红外辐射场。物质在向外部发射红外辐射的同时,必然会把它内部的信息传递出来。因而根据场的变化,即探测曲线上所出现的异常,提前发现隐蔽的地质灾害体,从而预防灾害的发生。红外辐射场理论应用于隧道地质预报中,就是当隧道外围空间和掘进前方存在隐伏水体或含水构造时,隐伏水体或含水构造产生的异常场就要叠加到正常场上,使隧道内的正常场产生畸变,根据拱顶、隧底、边墙、掌子面探测曲线和测量数据的变化就能确定隐伏水体或含水构造所在空间方位。
3、地质雷达探测
地质雷达探测的基本原理是：雷达发射天线向隧道掌子面前方或隧道底部连续发射脉冲式高频电磁波，当遇到有电性差异的界面或目标体（介电常数和电导率不同）时即发生反射波和透射波。接收天线接收反射波并经电缆传递给主机，在主机显示屏上形成实时的时间剖面。根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，确定界面或目标体的深度；同时根据反射波的形态、强弱及其变化等因素来判定目标体的性质。
4、超前地质钻孔
超前地质钻孔是利用水平钻机在隧道掌子面进行水平地质钻探获取地质信息的一种地质超前预报方式。
5、风钻超长钻孔
利用风钻在隧道掌子面对其中的几个炮眼加深至4.5～5米的水平小孔径的浅孔获取地质信息的一种方法。
6、平行导坑
平行导坑法是在隧道正洞左边或右边一定挖一个平行且断面较小的导坑,以导坑中的地预报正洞地质条件的方法。
7、地质素描
利用地质理论和作图法,将隧道所揭露的性,地质构造,结构面产状,地下水出露点位置状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘表,结合已有勘测资料,进行隧道开挖面前方地的预测预报。
四 综合超前地质预报技术方案
根据马鹿箐隧道出口工区地质的情况,以地质综分析判断为基础,采用综合地质预报手段,以平行导坑为先行探测预报，TSP203超前地质预报作长距离宏观控制性预报、超前地质钻孔和风钻超长钻孔作验证性预报，红外探水做短距离水情况的预报,地质雷达主要用于岩溶形态的探测预报，地质素描作为补充。在平行导坑施工过程中也综合运用超前地质物探方法进行预报。
现场成立了施工地质预测及预报队，由从事多年隧道施工和地质工作的专业技术人员组成，并聘请富有实践经验和地质资料判释能力的专家作指导。并对超前地质预报作业制定了“全面正规、长短结合、贯穿全程、因地制宜”的工作原则。
超前地质预报是制定施工方案和工程措施的主要依据，也是隧道施工的一道重要工序。
综合超前地质预测预报的工艺流程
五 综合超前地质物探技术在马鹿箐隧道978溶腔段的具体应用
根据施工图设计，以平行导坑为先导，在一般地段，主要以TSP203探测系统和超前水平钻孔为主，坚持对每个循环开挖后进行地质素描。在重点地段，综合运用各种物探技术，包括TSP203探测、红外探水、超前水平钻孔（平导2～3孔，正洞4～5孔），运用地质雷达进行隧底隐伏岩溶探测。遇到异常时增加掌子面地质雷达和超长炮孔。
该段岩层主要为三叠系下统大冶组第三～四岩性段灰色中厚层灰岩夹薄层灰岩。节理较发育，岩溶较发育；位于小马滩～凉风洞下148米，存在岩溶水和暗河水循裂隙、溶隙向隧道渗透的可能，预测该段最大涌水量为56294m3/d，正常涌水量为11632 m3/d。
1 TSP203探测的应用
1.1测点、测线的布置
本次预报段为PDK255+995～PDK255+870，预报时在掌子面里程为PDK255+995，在PDK256+052.5布置预报预报接收孔，接收孔距掌子面57.5m。在隧道右边墙的同一水平线上从外向里布置一个传感器钻孔和24个炮孔，传感器钻孔距第一个炮孔18m，炮孔间距1.5m，炮孔高度1.5m，最后一个炮孔距掌子面3m。详见图2 TSP203测线布置示意图

+
－

隧道轴线

掌子面

深
度

18
m

炮孔
1
、
2
..
.
.
24

接收器
1

参考点

_
方位角

方位角

X

X

-
Y
+

图1　TSP203测线布置示意图
1.2 TSP203判释
处理流程如下：
提取参数
地质解释
得到时间、深度剖面
软件计算
原始数据

隧道超前预报时，地震波速离散性大，软件处理时取波速平均值；当两个反射面间距不超过1m，合并为一个界面，预报误差为预报范围的5％。
1.3 预报成果
通过对TSP二维结果图的分析，隧道掌子面前方预报范围内存在问题的区段如表1所示：
表1 TSP推断结果
序号
里 程
长度（m）
推 断 结 果
1
PDK255+991～ PDK255+972
19
横波速度降低，纵横波速度比变大，泊松比变大，表明岩体含水，完整性较差。
2
PDK255+972～PDK255+944
28
有多组P波副相位，纵横波速度比变大，泊松比变大，表明岩体破碎含水。
3
PDK255+932～PDK255+914
18
横波速度降低，纵横波速度比变大，泊松比变大，表明岩体较破碎。
4
PDK255+884～PDK255+870
14
有一组P波副相位，纵横波速度比变大，泊松比变大，表明岩体完整性较差。
由此得出以下结论，PDK255+995～PDK255+991段岩性较完整； PDK255+991～ PDK255+972范围内岩体完整性较差，结合已有超前钻孔资料，在该段后半段富水，可能突水；PDK255+972～PDK255+944范围内岩体较破碎，可能发育充水溶洞或溶槽；PDK255+944～PDK255+932段岩体较完整局部渗水或滴水；PDK255+932～PDK255+914范围内岩体完整性较差,节理较发育,局部可能滴水；PDK255+914～PDK255+884范围内岩体较完整，岩性逐渐变好，局部可能滴水；PDK255+884～PDK255+870范围内岩体完整性较差,地下水不太发育。
2 超前地质钻孔
2.1在平导对溶腔段的超前地质钻孔
采用ZYG-150型全液压钻机进行钻探，详见图2和表2。
表2 平导超前地质钻探情况
孔号
钻孔起止里程
地质状况描述
备注
J1＃
PDK255+986.6～PDK255+971.4
PDK255+986.6～PDK255+979.0段围岩较破碎，岩体较软，无水；DK255+979.0～DK255+971.4段围岩较破碎，断层内填充泥砂，可能发育有充水溶洞或溶槽。

J2＃
PDK255+986.6～PDK255+971.4
PDK255+986.6～PDK255+979.0段围岩较破碎，岩体较软，无水；DK255+979.0～DK255+971.4段围岩较破碎，断层内填充泥砂，可能发育有充水溶洞或溶槽。

J3＃
PDK255+986.6～PDK255+971.4
PDK255+986.6～PDK255+979.0段围岩较破碎，岩体较软，无水；DK255+979.0～DK255+971.4段围岩较破碎，断层内填充泥砂，可能发育有充水溶洞或溶槽。

2.2 在正洞对溶腔段的超前地质钻孔
采用ZYG-150型全液压钻机进行钻探，详见图3和表3

表3 正洞超前地质钻探情况
孔号
钻孔起止里程
地质状况描述
备注
1＃
DK255+992.5～DK255+968.4
DK255+992.5～DK255+971.8段围岩较完整，无不良地质；DK255+971.8～DK255+970.6段围岩较破碎；DK255+970.6后为溶腔，DK255+970.6～DK255+968.4段溶腔填充淤泥。
淤泥由稀变稠，钻杆受裹缠无法钻进，退杆时随带黄色泥浆水流出。
2＃
DK255+992.5～DK255+960.1
DK255+992.5～DK255+972.1段围岩较完整，无不良地质；DK255+972.1～DK255+960.2段围岩较破碎，局部有裂隙；DK255+960.2后为溶腔，DK255+960.2～DK255+960.1段溶腔填充淤泥。
淤泥由稀变稠，钻杆受裹缠无法钻进，退杆时随带黄色泥浆水流出。
3＃
DK255+992.5～DK255+964.3
DK255+992.5～DK255+972.1段围岩较完整，无不良地质；DK255+972.1～DK255+965.0段围岩较破碎，局部有裂隙；DK255+965.0后为溶腔，DK255+965.0～DK255+964.3段溶腔填充淤泥。
淤泥由稀变稠，钻杆受裹缠无法钻进，退杆时随带黄色泥浆水流出。
4＃
DK255+992.5～DK255+963.6
DK255+992.5～DK255+972.0段围岩较完整，无不良地质；DK255+972.0～DK255+964.2段围岩较破碎，局部有裂隙；DK255+964.2后为溶腔，DK255+964.2～DK255+963.6段溶腔填充淤泥。
淤泥由稀变稠，钻杆受裹缠无法钻进，退杆时随带黄色泥浆水流出。
5＃
DK255+992.5～DK255+964.9
DK255+992.5～DK255+972.5段围岩较完整，无不良地质；DK255+972.5～DK255+965.8段围岩较破碎，局部有裂隙；DK255+965.8后为溶腔，DK255+965.8～DK255+964.9段溶腔填充淤泥。
淤泥由稀变稠，钻杆受裹缠无法钻进，退杆时随带黄色泥浆水流出。
六 978溶腔段超前地质预报情况与隧道开挖情况对比
在马鹿箐隧道出口工区，通过对溶腔段的超前地质预报，综合运用各种地质物探手段，为顺利通过溶腔段，贯通马鹿箐隧道提供了必要的依据。开挖后的实际地质情况和预报结果进行比较，详见表4

TSP探测结果
超前钻孔探测结果
实际开挖情况
PDK255+995～PDK255+991范围内岩体较完整，地下水不太发育；PDK255+991～PDK255+972范围内岩体完整性较差，后半段富水，可能发生突水；PDK255+972～PDK255+944范围内岩体较破碎，可能发育有充水溶洞和溶槽；PDK255+944～PDK255+932范围内岩体较完整，局部渗水或滴水。
平导内：PDK255+986.6～PDK255+979.0段围岩较破碎，岩体较软，无水；DK255+979.0～DK255+971.4段围岩较破碎，断层内填充泥砂，可能发育有充水溶洞或溶槽；正洞内：DK255+992.5～DK255+972.0段围岩较完整，无不良地质；DK255+972.0以后围岩较破碎，局部有裂隙，并且有较大的溶腔，溶腔内填充淤泥。
DK255+992～DK255+976段岩体较完整，地下水不太发育；DK255+976～DK255+972范围内岩体较完整，岩体较弱，局部渗水； DK255+972～DK255+960岩体较破碎，局部渗水； DK255+966～DK255+946段为溶腔，里面填充淤泥和细砂，淤泥上有流水，约200m3/h；DK255+946～DK255+932段岩体完整性较差，局部渗水。
表4 超前地质预报情况与隧道开挖情况
七 结语
自马鹿箐隧道出口工区一开始施工，就建立一支专业水平高的地质施工队，并配备专业的技术人员。尤其在对978溶腔段的超前地质预报中，我们投入了大量的人力、物力，通过运用综合超前地质预报技术, 增加了施工预见性, 为隧道施工方案的制定提供了科学依据,加快了隧道施工的进度,顺利的通过溶腔，完成了隧道的贯通。
综合超前地质物探技术在长大隧道及存在岩溶、断层的隧道施工中推广应用，要求应用人员具备很扎实的隧道施工地质专业知识,才能得到很准确的预报结果。因此在长大隧道及存在岩溶、断层的隧道施工中，建立一支专业水平高的地质施工队，并配备专业的技术人员是很有必要的。
参考文献
（1）齐传生，王洪勇.铁道勘察.圆梁山隧道综合超前地质预报技术,2004（5）.
（2）刘录刚.西部探矿工程.超前地质预报在雁门关隧道施工中的综合应用，2004（4）.