超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合物探技術(shù)在六郎隧道施工中的應(yīng)用

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合物探技術(shù)在六郎隧道施工中的應(yīng)用蘇彥喜（中鐵十七局集團(tuán)云桂鐵路項(xiàng)目經(jīng)理部二分部）摘要：六郎隧道巖溶高度發(fā)育，巖溶水豐富，運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合物探技術(shù)，通過采用不同的預(yù)報(bào)手段和不斷的總結(jié)改進(jìn)，目前已成功提前探測出多條溶腔和斷層，為后續(xù)施工提供了技術(shù)保證，加快了施工進(jìn)度，保證了施工安全。關(guān)鍵詞：六郎隧道；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；溶腔；物探一、工程概況六郎隧道位于紅石巖～南盤江區(qū)間，起訖里程為DK573+807～DK587+897,全長14090m。本隧速度目標(biāo)值為200km/h,預(yù)留250km/h的提速條件。本隧道設(shè)置一橫洞+一貫通平導(dǎo)的輔助坑道模式，于隧道左線線路中線左側(cè)30m設(shè)一貫通平導(dǎo)，平導(dǎo)進(jìn)口里程PDK573+830,出口里程PDK587+920，全長14090m，平導(dǎo)設(shè)32個(gè)橫通道與隧道正洞相連，正洞軌面設(shè)計(jì)高程=平導(dǎo)坑底面高程+2.1m，平導(dǎo)縱坡與正洞縱坡相同。于DK582+300左側(cè)設(shè)置橫洞一座，橫洞長244m，交角為90°隧道主要穿越三疊系中統(tǒng)法郎組B段（T2fb）巖性為黃灰色薄至中厚層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉泥巖、粉（細(xì)）砂巖，該套地層中普遍含鈣質(zhì)；個(gè)舊組二段（T2g），巖性為灰色、灰白色厚層至塊狀泥巖、白云巖、局部夾泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖等。隧址區(qū)地下水類型劃分為：松散巖類孔隙潛水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶水等三種類型，預(yù)測隧道正常涌水量約為7.9×104m3/d，雨季最大涌水量約為58六郎隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，主要不良地質(zhì)現(xiàn)象為巖溶及巖溶水，施工中可能發(fā)生突泥、突水現(xiàn)象，主要工程地質(zhì)問題有地表水的漏失、軟質(zhì)巖及軟弱夾層、構(gòu)造破碎帶及構(gòu)造裂隙水、崩塌落石、隧道發(fā)生巖爆的可能等。二、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的由于六郎隧道地質(zhì)條件很復(fù)雜，隧道穿越富水溶腔及斷層，巖溶發(fā)育的復(fù)雜多變、可能會(huì)產(chǎn)生大量突泥、涌水，施工必須進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào),以減少或避免因突泥、涌水而造成的損失，為制定施工方案和措施提供必要的參數(shù),如地下水壓力、水量、管道巖溶的大小、方位等；做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)不僅保證了安全同時(shí)也節(jié)約了成本，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提前探明前方圍巖情況，針對圍巖情況，做好相應(yīng)的支護(hù)準(zhǔn)備，以減少?zèng)]有必要的人員、物質(zhì)、設(shè)備的投入，加快了工程進(jìn)度。三、各種超前地質(zhì)物探手段的原理1、TSP203探測TSP203地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)探測、解譯距離遠(yuǎn),分辨率高,系統(tǒng)智能化程度高,數(shù)據(jù)記錄基本采用自動(dòng)記錄系統(tǒng),試驗(yàn)過程簡單,對施工影響較小。2、紅外探測紅外探測屬廣義遙感技術(shù),它建立在紅外輻射場的基礎(chǔ)上。地球上一切物質(zhì),每時(shí)每刻都在向外輻射紅外電磁波,并形成紅外輻射場。物質(zhì)在向外部發(fā)射紅外輻射的同時(shí),必然會(huì)把它內(nèi)部的信息傳遞出來。因而根據(jù)場的變化,即探測曲線上所出現(xiàn)的異常,提前發(fā)現(xiàn)隱蔽的地質(zhì)災(zāi)害體,從而預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生。紅外輻射場理論應(yīng)用于隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中,就是當(dāng)隧道外圍空間和掘進(jìn)前方存在隱伏水體或含水構(gòu)造時(shí),隱伏水體或含水構(gòu)造產(chǎn)生的異常場就要疊加到正常場上,使隧道內(nèi)的正常場產(chǎn)生畸變,根據(jù)拱頂、隧底、邊墻、掌子面探測曲線和測量數(shù)據(jù)的變化就能確定隱伏水體或含水構(gòu)造所在空間方位。3、地質(zhì)雷達(dá)探測地質(zhì)雷達(dá)探測的基本原理是：雷達(dá)發(fā)射天線向隧道掌子面前方或隧道底部連續(xù)發(fā)射脈沖式高頻電磁波，當(dāng)遇到有電性差異的界面或目標(biāo)體（介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同）時(shí)即發(fā)生反射波和透射波。接收天線接收反射波并經(jīng)電纜傳遞給主機(jī)，在主機(jī)顯示屏上形成實(shí)時(shí)的時(shí)間剖面。根據(jù)記錄到的反射波的到達(dá)時(shí)間和求得的電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，確定界面或目標(biāo)體的深度；同時(shí)根據(jù)反射波的形態(tài)、強(qiáng)弱及其變化等因素來判定目標(biāo)體的性質(zhì)。4、超前地質(zhì)鉆孔超前地質(zhì)鉆孔是利用水平鉆機(jī)在隧道掌子面進(jìn)行水平地質(zhì)鉆探獲取地質(zhì)信息的一種地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方式。六郎隧道采用RPD-150C型多功能高速鉆機(jī)。RPD-150C多功能鉆機(jī)系統(tǒng)具有探測準(zhǔn)確、探測結(jié)果受外界影響小等優(yōu)點(diǎn)。RPD-150C多功能鉆機(jī)系統(tǒng)與TSP203地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)有很大的互補(bǔ)性,綜合兩種手段,可以及時(shí)預(yù)測預(yù)報(bào)到大部分地質(zhì)不良地段,為隧道工程的施工奠定基礎(chǔ)。5、風(fēng)鉆超長炮孔利用風(fēng)鉆在隧道掌子面對其中的幾個(gè)炮眼加深至4.5～5米的水平小孔徑的淺孔獲取地質(zhì)信息的一種方法。6、平行導(dǎo)坑平行導(dǎo)坑法是在隧道正洞左邊或右邊一定距離處挖一個(gè)平行且斷面較小的導(dǎo)坑,以導(dǎo)坑中的地質(zhì)情況預(yù)報(bào)正洞地質(zhì)條件的方法。六郎隧道設(shè)置一貫通平導(dǎo)，全長14090m，目前六郎隧道3個(gè)工區(qū)的平導(dǎo)均已超前施做，為正洞施工提供了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。7、地質(zhì)素描利用地質(zhì)理論和作圖法,將隧道所揭露的巖性,地質(zhì)構(gòu)造,結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀,地下水出露點(diǎn)位置狀態(tài)、出水量、煤層、溶洞等準(zhǔn)確記錄下來并繪表,結(jié)合已有勘測資料,進(jìn)行隧道開挖面前方地的預(yù)測預(yù)報(bào)。四、綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方案根據(jù)六郎隧道地質(zhì)情況復(fù)雜，巖溶高度發(fā)育，巖溶水豐富,以地質(zhì)綜合分析判斷為基礎(chǔ),采用綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)手段,以平行導(dǎo)坑為先行探測預(yù)報(bào)，TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作長距離宏觀控制性預(yù)報(bào)、超前地質(zhì)鉆孔和風(fēng)鉆超長鉆孔作驗(yàn)證性預(yù)報(bào)，紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)做短距離探水及巖溶形態(tài)的探測預(yù)報(bào)，地質(zhì)素描作為補(bǔ)充。在平行導(dǎo)坑施工過程中也綜合運(yùn)用超前地質(zhì)物探方法進(jìn)行預(yù)報(bào)。六郎隧道成立第三方專業(yè)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)隊(duì)伍（中國有色金屬工業(yè)長沙勘察設(shè)計(jì)研究院），進(jìn)行TSP及地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水的專業(yè)預(yù)報(bào)。施工現(xiàn)場成立了施工地質(zhì)預(yù)測及預(yù)報(bào)隊(duì)，由從事多年隧道施工和地質(zhì)工作的專業(yè)技術(shù)人員組成。并對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作業(yè)制定了“全面正規(guī)、長短結(jié)合、貫穿全程、因地制宜”的工作原則。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是制定施工方案和工程措施的主要依據(jù)，也是隧道施工的一道重要工序。綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)的工藝流程見圖3。圖3綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)的工藝流程圖五、綜合超前地質(zhì)物探技術(shù)在六郎隧道平導(dǎo)PDK574+060處溶洞的具體應(yīng)用根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)，以平行導(dǎo)坑為先導(dǎo)，在一般地段，主要以TSP203探測系統(tǒng)和超前水平鉆孔為主，輔以地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水，堅(jiān)持對每個(gè)循環(huán)開挖后進(jìn)行地質(zhì)素描及加深炮孔。在重點(diǎn)地段，綜合運(yùn)用各種物探技術(shù)，包括TSP203探測、紅外探水、超前水平鉆孔（平導(dǎo)3孔，正洞5孔）、加深炮孔(平導(dǎo)5孔，正洞10孔)、地質(zhì)素描、運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧底隱伏巖溶探測。該段巖層主要為三疊系中統(tǒng)法郎組B段（T2fb）巖性屬于泥質(zhì)灰?guī)r，節(jié)理較發(fā)育，巖溶較發(fā)育。1、TSP203探測的應(yīng)用（1）探測時(shí)間現(xiàn)場探測準(zhǔn)備時(shí)間為2011年1月21～22日，1月23日正式測試，2011年1月24日～1月25日進(jìn)行資料處理與報(bào)告編制。（2）現(xiàn)場工作布置情況六郎隧道進(jìn)口平導(dǎo)現(xiàn)場掌子面寬度5.6m，高6.1m。本次探測掌子面的里程樁號為：PDK574+013。共布置18個(gè)有效炮孔，接收孔與最近炮孔距離（3）儀器及現(xiàn)場工作方式本次探測采用瑞士安伯格測量技術(shù)有限公司TSP203Plus超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。儀器參數(shù)設(shè)置如下:記錄單元①12道②24位A/D轉(zhuǎn)換③采樣間隔：62.5s④帶寬:8000hz⑤記錄長度：7218采樣點(diǎn)⑥動(dòng)態(tài)范圍120dB⑦道數(shù)：1-12接收單元①三分量加速度地震檢波器②靈敏度：1000mV/g±5%③頻率范圍：0.5～5000Hz（4）原始數(shù)據(jù)評價(jià)現(xiàn)場采集到的X分量的原始數(shù)據(jù)見圖4，其中部分道由于裝藥原因或炮眼不符合要求導(dǎo)致能量較少從而信號稍弱，后期數(shù)據(jù)處理分析時(shí)做適當(dāng)處理，其他各道的初至波均清晰可見，Y分量和Z分量情況基本一致。圖4六郎隧道進(jìn)口平導(dǎo)X分量原始波形圖圖5六郎隧道進(jìn)口平導(dǎo)P波深度偏移剖面（5）數(shù)據(jù)處理與資料獲取用TSP203Plus相應(yīng)的專門處理軟件TSPwinPLUS2.1對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、初至拾取、炮能量均衡、Q評估以及波場分離（包括反射波提取、縱橫波分離）、速度分析等處理分析，得到相關(guān)波（P、SH、SV）的深度偏移剖面及其反射界面，以及相關(guān)的巖石力學(xué)參數(shù)和二維、三維效果圖。圖6P波相關(guān)的部分成果圖圍巖縱波速度約為3164～4006m/s，泊松比范圍為0.07～0.33，動(dòng)態(tài)楊氏模量范圍為21～28GPa。（6）探測結(jié)論1、掌子面概況掌子面揭露掌子面圍巖屬于泥質(zhì)灰?guī)r，圍巖較完整，右側(cè)上方有溝槽，左側(cè)拱頂上方有溶洞，有粘土且潮濕，拱頂夾有粘土。2、探測結(jié)論綜合分析上述探測成果，推測掌子面前方約140m范圍內(nèi)巖體工程地質(zhì)特征如下：a、里程PDK574+013～PDK574+073區(qū)段，長60m，圍巖破碎，裂隙發(fā)育，拱頂有粘土，局部有溶洞或溶溝，夾有粘土；b、里程PDK574+073～PDK574+118區(qū)段，長45m，圍巖較完整，局部有夾泥；c、里程PDK574+118～PDK574+153區(qū)段，長35m，圍巖較破碎，局部裂隙發(fā)育，夾泥。（6）建議針對現(xiàn)場探測結(jié)果，建議如下：a、施工單位對報(bào)告中提到的不良區(qū)域引起重視，應(yīng)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)一步探測，必要時(shí)采用鉆探工作，確保施工安全。同時(shí)，加強(qiáng)現(xiàn)場資料收集工作，以利于探測資料和實(shí)際揭露的情況相互印證。b、加強(qiáng)圍巖監(jiān)控量測，根據(jù)反饋信息實(shí)施動(dòng)態(tài)施工，根據(jù)現(xiàn)場開挖具體圍巖情況修改支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，確保順利施工。2、地質(zhì)雷達(dá)法與紅外探測法的應(yīng)用2011年2月19日采用LTD-2000地質(zhì)雷達(dá)對（PDK574+045～PDK574+075）進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。采用HW-304紅外探測儀對（（1）現(xiàn)場測試分析a)地質(zhì)雷達(dá)測線布置按圖7，在掌子面上布置1條測線進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)測試。主機(jī)接收器天線主機(jī)接收器天線圖7掌子面1條測線布置示意圖b)地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果分析根據(jù)雷達(dá)探測結(jié)果，綜合掌子面描述，其分析如下表1，地質(zhì)雷達(dá)測試波形圖見圖8。隧道名稱測試范圍設(shè)計(jì)圍巖級別探測長度/m地質(zhì)雷達(dá)成果推斷建議圍巖級別六郎隧道進(jìn)口PDK574+045～PDK574+075Ⅲ級30m六郎進(jìn)口平導(dǎo)掌子面左右側(cè)有溶洞。左側(cè)溶洞深約5m左右，中有粘土，16-19m范圍疑有溶洞或溶槽，其它巖石局部夾泥或軟弱夾層。Ⅳ級c)紅外探測測線布置2011年2月19日通過對六郎隧道內(nèi)進(jìn)行預(yù)報(bào)探測，六郎隧道掌子面后方以達(dá)到布置12個(gè)探測序號的范圍（60米），每5米子面的探測和后方60米探測。我們對其掌子面布置了24個(gè)點(diǎn)進(jìn)行探測，后方72個(gè)點(diǎn)進(jìn)行探測，掌子面布點(diǎn)如圖9圖9掌子面探點(diǎn)布置示意圖d)紅外探測測試結(jié)果分析通過對六郎隧道PDK574+045掌子面前方30米由掌子面巖體上均勻布置24個(gè)測點(diǎn)的紅外輻射場強(qiáng)數(shù)值（見表2），可知其最大值為212W/cm2，最小值為202W/cm2，差值為10W/cm2，等于允許的安全值10W/cm2。根據(jù)上述判別方法，結(jié)合已開挖揭示的圍巖情況，可以判定：DK574+045～DK574+075段存在含水構(gòu)造，巖體局部較濕潤。（2）結(jié)論與建議樁號為(PDK574+045～PDK574+075)的探測范圍內(nèi),六郎進(jìn)口平導(dǎo)掌子面左右側(cè)有溶洞。左側(cè)溶洞深約5m左右,中有粘土，16-19m范圍疑有溶洞或溶槽，其它巖石局部夾泥或軟弱夾層，巖層局部較濕潤。以上可疑部位開挖時(shí)需加強(qiáng)注意，建議圍巖類別為Ⅳ級。建議掌子面前方30米內(nèi)(PDK574+045～PDK574+075)按Ⅳ級圍巖開挖加強(qiáng)支護(hù)。在施工過程中應(yīng)注意地質(zhì)情況的變化，圍巖開挖后局部易剝離掉塊，所以在開挖過程中要注意小掉塊的影響，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測和支護(hù)。表2紅外探測記錄表掌子面紅外探測記錄表測點(diǎn)號123456MAX橫向備注12062062082062072082220720920921220820833204205203206205202342052072062052042063MAX縱向346746沿線路走向紅外探測記錄表序號里程左邊墻左邊角墻拱頂右邊墻右邊角墻底板中線備注1PDK573+923185181187184186185由掌子面向外測量2PDK573+9181821781841861831813PDK573+9131791851791851821844PDK573+9081751751791831771745PDK573+9031701721761821741796PDK573+8081701701761731751747PDK573+8031711721701751681738PDK573+8881731751741771751729PDK573+88317117017317517217610PDK573+87816916917217317117011PDK573+87317317217217117216912PDK573+8681701701711731701673、超前地質(zhì)鉆孔（1）在平導(dǎo)對溶腔段的超前地質(zhì)鉆孔2011年2月23日，采用RPD-150C多功能鉆機(jī)對六郎進(jìn)口平導(dǎo)PDK574+050～PDK574+080段進(jìn)行鉆探，詳見圖10和表2。表2平導(dǎo)超前地質(zhì)鉆探情況孔號鉆孔起止里程地質(zhì)狀況描述備注J1＃PDK574+050～PDK574+080PDK574+050～PDK574+062段為灰白色灰?guī)r，夾泥，圍巖較破碎，無水；PDK574+062～PDK574+072段為灰白色灰?guī)r，夾泥，發(fā)育有溶洞或溶槽；PDK574+072～PDK574+082段為灰白色灰?guī)r，夾泥，圍巖較破碎，無水；J2＃PDK574+050～PDK574+080PDK574+050～PDK574+065段為灰白色灰?guī)r，夾泥，圍巖較破碎，無水；PDK574+065～PDK574+070段為灰白色灰?guī)r，夾泥，發(fā)育有溶洞或溶槽；PDK574+070～PDK574+080段為灰白色灰?guī)r，夾泥，圍巖較破碎，無水；J3＃PDK574+050～PDK574+080PDK574+050～PDK574+060段為灰白色灰?guī)r，夾泥，圍巖較破碎，無水；PDK574+060～PDK574+068段為灰白色灰?guī)r，夾泥，發(fā)育有溶洞或溶槽；PDK574+068～PDK574+080段為灰白色灰?guī)r，夾泥，圍巖較破碎，無水；4、超長炮孔2011年2月25日，對六郎進(jìn)口平導(dǎo)掌子面PDK574+056進(jìn)行加深炮孔，炮孔布置見下圖10，共加深五孔，加深后炮孔深度為7m，布置于拱部周邊，外插角10°，以探明隧道開挖線外圍的圍巖情況。加深炮孔結(jié)果顯示，在炮孔深度5m處開始有溶洞。圖10超長炮孔布置圖5、PDK574+060處溶洞發(fā)育段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況與隧道開挖情況對比在六郎隧道進(jìn)口平導(dǎo)，通過對PDK574+060處溶洞發(fā)育段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，綜合運(yùn)用各種地質(zhì)物探手段，為順利通過溶洞發(fā)育段提供了必要的依據(jù)。開挖后的實(shí)際地質(zhì)情況和預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行比較，詳見表4六、結(jié)語自六郎隧道進(jìn)口工區(qū)一開始施工，就建立一支專業(yè)第三方的地質(zhì)施工隊(duì)，并配備專業(yè)的技術(shù)人員。在對溶洞發(fā)育段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，我們投入了大量的人力、物力，通過運(yùn)用綜合超前地TSP探測結(jié)果地質(zhì)雷達(dá)與紅外探測超前鉆孔探測結(jié)果實(shí)際開挖情況a、里程PDK574+013～PDK574+073區(qū)段，長60