复杂地质条件下长大隧道超前地质预报技术

复杂地质条件下长大隧道超前地质预报技术
林瑚旺;刘成禹;杨建成
【摘要】以龙厦铁路象山特长隧道为例,系统地介绍了复杂地质条件下长大隧道综合超前地质预报的方案、实施方法,岩溶、断层破碎带、采空区等不良地质体的预报方法,以及其工程地质前兆标志、物探异常特征和提高地质预报效率的组织措施.【期刊名称】《铁道勘察》
【年(卷),期】2009(035)005
【总页数】6页(P88-93)
【关键词】地质预报;岩溶;断层破碎带;地质分析;物探
【作者】林瑚旺;刘成禹;杨建成
【作者单位】龙厦铁路工程建设指挥部,福建龙岩,364000;福州大学岩土工程与工程地质研究所,福建福州,350108;龙厦铁路工程建设指挥部,福建龙岩,364000【正文语种】中文
【中图分类】U452.1+1
长大隧道由于埋深大、隧道长,工程地质、水文地质条件复杂多变,期望在勘测设计阶段完全查明隧道工程的地质构造、岩体状态、特性,特别是断层、岩溶、地层接触带，以及不良地质体的确切位置、规模是十分困难的。

因此,广大隧道建设者十分重视在隧道施工中能及时、准确地对工作面前方的地质情况进行预报[1,2],以便制定针对性的施工方案和技术措施,在正常区段放心掘进,提高掘进速度,有目标地在
异常区段进行超前处理和加强施工支护,有效地避免或减少突发性地质灾害的发生。

近年来,隧道施工地质预报越来越受到工程技术人员及学者的关注并进行了相关的
研究,但这些研究工作主要集中在单项预报手段的应用及如何提高其预报准确性方
面[3～5],对各种预报手段的综合应用及其优化所述甚少。

由于每种地质预报手段
均有其局限性及适用条件,为提高地质预报准确性,在地质复杂地区或一些对工程有
重大影响的不良地质体,必须采用多层次、多手段的综合地质预报方法。

因此,对综
合超前地质预报方案及其实施技术进行研究具有重要意义。

本文以龙厦铁路象山特长隧道为例,系统地介绍了复杂地质条件下长大隧道超前地
质预报的方案,典型不良地质体的工程地质前兆标志、物探异常特征以及提高超前
地质预报效率的组织措施,对长大隧道超前地质预报工作有较强的指导意义和实用
价值。

1 工程概况
龙厦铁路象山隧道位于龙岩、漳州境内,采用单洞单线、两条隧道并行的方案,左线
隧道全长15 898 m,右线隧道全长15 917 m,最大埋深780 m,为龙厦铁路最长的
隧道和最重要的控制工程。

象山隧道穿越区域位于大田—龙岩拗陷带之广平—龙岩复式向斜和政和—大埔深
大断裂上,地质构造复杂,褶皱、断裂极其发育,多组沉积地层呈不整合或假整合接触。

隧址分布地层较为复杂,斜井和正洞33次穿越14种不同地层,多次穿越采空区、煤层、煤线及瓦斯地层,4次穿越岩溶地层,长距离穿越中等强度地应力区,斜井和正洞11次穿越比较大的断层破碎带，27次穿越岩层接触带,地质条件极为复杂。

2 象山隧道超前地质预报方案
象山特长隧道采取长距离宏观预报与短距离准确预报相结合、隧道洞内探测与洞外地面地质调查相结合、地质分析与物探探测相结合的综合超前地质预报技术,并根
据各区段的地质条件进行分级预报和重点预报。

开展多层次、多手段的综合超前地
质预报。

2.1 综合预报
(1)长距离宏观预报与短距离准确预报相结合
长距离预报主要采用地质分析法,根据区域地质资料、地面测绘和其他基础资料，对隧道通过地区的地质界线、地层岩性、地质构造、地层接触关系、围岩级别、储水构造、富水规模、岩溶发育规律及其他不良地质发育情况进行长距离宏观预测预报,分析存在的主要工程地质问题、主要地质灾害及其分布范围、在隧道内揭示的大致里程等,为制定深入的预报方案及地质预报分级提供依据。

中长距离预报是在长距离预报的基础上，采用TSP超前探测对工作面前方40～200 m范围内的地质情况作进一步的预报,对不良地质体的位置、规模、性质作较为详细的预报,粗略地预报围岩级别和地下水情况等。

短距离预报是在中长距离预报的基础上采用工作面素描、地质雷达和超前钻孔等方法进行预报,探明工作面前方40 m范围内地层岩性、地质构造、不良地质体及地下水出露情况等,对可能有突泥、突水和其他不良地质情况的地段进行钻孔验证。

(2)工程地质分析与物探探测相结合
以常规地质预报为基础,通过勘察和地质调查，从区域范围内了解隧道通过地区的地层岩性、对隧道施工影响较大的地质构造、不良地质及地下水特征,再通过地质素描将勘察和地质调查得到的地质信息投影到隧道中,达到细化和补充的作用。

常规的地质预报是用已开挖揭露的地质信息来推测前方的地质情况,是根据区域地表的情况得到的推测性结论。

只能定性推测,无法达到定量。

在地质分析基础上通过TSP、高分辨电法探测、地质雷达探测和红外探水预报,取得工作面前方的异常信息及异常信息的位置,结合常规地质预报已得到的地质信息,来解释工作面前方可能存在的地质问题,从而达到量化效果。

由于TSP、高分辨电法探测和红外探水等物探方法存在多解性,加上地质条件的千变万化,往往只能提供
异常区可能存在的地质问题,所以在异常区域内通过超前水平探孔来验证异常区内
的地质情况。

钻孔数量、参数、位置的确定要参考常规地质预报和物探探测的结论,并且随钻探揭示的情况而进行动态调整。

这样一种立体的、综合的地质预报方法可为隧道施工提供更加准确的地质资料,同时也为隧道施工中突发性地质灾害建立预
警预报机制,为隧道施工提供较为准确的地质保障。

(3)不同探测手段相结合
每种超前预报技术手段均存在其局限性,各种手段探测的侧重点也不尽相同。

因此,
在地质复杂地区或重大不良地质体,不能依赖单项预报方法,需在工程地质分析的基
础上,针对不良地质体的特点及各种物探方法的适宜条件和探测重点,采用适宜的物
探方法和多种物探手段优化组合的方法,多源信息综合分析,从而提高超前地质预报
的准确性。

经长期超前地质预报实践,得出常用预报手段的特点及适用条件(见表1)。

超前地质预报实施中可针对目标体的类型和特点,采用与此相适应的能互相弥补的
探测手段进行组合,互为补充、验证,提高预报精度。

如,TSP探测距离远,可以通过岩石力学参数判断围岩情况,但存在判释距离误差大,信息模糊,对水不甚敏感且对不连续体不规则界面形状探测定位差,很难定量分析岩溶位置等局限性[6,7]。

因此，在
岩溶发育段，需在TSP提示异常临近前,采用地质雷达、超前地质钻孔等能对TSP
探测不足进行弥补的手段进行探测,确定岩溶的分布位置及规模。

表1 不同预报方法的特点及其适用条件序号预报方法特点及适用条件预报距离
/m1地质调查可随时进行，不影响施工；可推断和预报隧道工作面前方的工程、
水文地质情况，但结果较为粗略，需与物探方法相结合隧道全长2地质素描不占
用施工时间，预报效果好，能为整个隧道提供完整的地质资料，但预报距离较短视地质情况而定3超前钻探可反映岩体概况，反应情况直观。

但存在下列局限性：(1)在复杂地质条件下预报效果较差，很难预测到工作面前方的小断层和贯穿性大
节理，特别是与隧道轴线平行的结构面，预报无反映；(2)钻孔与钻孔之间的地质
情况无法反映所有不良地质预报；(3)占用隧道工作面时间长视孔深而定4TSP探
测可定量反映岩体参数，对工作面前方遇到与隧道轴线近垂直的不连续体(节理、
裂隙、断层破碎带等)的界面确定结果比较可靠，但对不规则不连续体的界面形状
和水预报精度较差1505高分辨率电法主要对开挖工作面前方含、导水构造分布和发育情况进行预报，但对场地要求较高(工作面后方须有约500m直线距离布置测线)1206地质雷达能预报工作面前方地层岩性的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力，是富水地层和溶洞发育地段很好的预报手段307红外
探水主要对含水岩体位置进行预报，水量大小无法确定；对集中涌水等点状涌水位置预报效果较好，对断层破碎带、节理密集带等面状渗水预报效果较差；受隧道洞内空气温度影响明显30
2.2 分级预报
为了有效地利用地质预报资源,达到即满足隧道施工对超前地质预报的要求又节约
地质预报资源，节省超前地质预报费用的目的,必须针对隧道的地质条件,实施分级
预报。

通过地质分析及地表调查并结合设计资料,查清隧道各区段的工程地质及水
文地质情况,摸清可能存在的不良地质体,对全隧进行超前地质预报重要性分级,对不同预报级别地段采取不同的预报方法,从而达到重点突出、特点保留的有针对性地
预报,做到宏观控制、重点突出、资源合理配置,最终达到既预报准确又节省有限预
报资源(包括时间)的目的。

根据象山隧道可能发生的地质灾害及其对隧道施工安全的危害程度,地质预报重要性分为A、B、C、D四级,相应的地质预报方法见表2。

表2 象山隧道超前地质预报分级及相应的预报手段分级分级标准地质预报手段A
存在重大地质灾害隐患的地段，如大型暗河系统，可溶岩与非可溶岩接触带，软弱、破碎、富水、导水性良好的地层和大型断层破碎带，特殊地质地段，重大物探异常地段，可能产生大型、特大型突水突泥地段，诱发重大环境地质灾害的地段，高地应力、瓦斯问题严重的地段以及采空区等采用地质分析、地震波反射、高分辩电法、
地质雷达、红外探测、超前水平钻探等手段进行综合预报B存在中、小型突水突泥隐患的地段，物探有较大异常的地段，断裂带等采用地质分析法、地震波反射或声波反射法，辅以红外探测、地质雷达，进行必要的超前水平钻孔。

当发现局部地段地质条件复杂时，按A级要求实施C水文地质条件较好的碳酸盐岩及碎屑岩地段、小型断层破碎带，发生突水突泥的可能性较小以地质分析为主。

对重要的地质(层)界面、断层或物探异常地段可采用地震波反射或声波反射法进行探测，必要时采用红外探测和超前水平钻孔D非可溶岩地段，发生突水突泥的可能性极小地质分析法
2.3 专门预报
针对象山隧道发育的可能产生重大施工地质灾害的岩溶、煤层瓦斯、采空区、断层破碎带制定了专门的地质预报方案。

(1)岩溶及岩溶突水
首先利用地质调查与地质素描手段,确定隧道可溶岩发育的大致里程,再通过
TSP203和高分辨电法探测对岩溶及地下水发育的位置、规模及性质作较为详细的预报,然后采用工作面素描、红外探测等方法更加准确地预报工作面前方30 m范围内岩溶的发育情况,对可能有岩溶、突泥涌水的地段特别是可溶岩与非可溶岩的接触带应进行超前水平钻探。

钻孔时需安设孔口管及高压闸阀,当遇有高压水时,要立即拔出钻具,关闭孔口管的高压阀门,等待制定处理措施。

对岩溶强烈发育地段可增加水平钻孔的数量、加长炮孔及采用地质雷达探测,对开挖后的隧道底板用地质雷达进行岩溶检测。

(2)煤层瓦斯
首先利用地质调查与地质素描手段,确定隧道揭露煤系地层的大致里程及煤层发育的大致产状、厚度等,再通过TSP203进一步确定煤层发育的位置,然后采用工作面素描、超前水平钻孔等方法更加准确地预报工作面前方30 m范围内煤层的位置及
厚度。

水平钻孔需采用水循环回转钻,以免引起火灾或爆炸,并钻取岩芯。

对全隧进行瓦斯监测。

(3)采空区
象山隧道隧址区矿产资源丰富,人工开采频繁,需高度重视由于人工开采形成的采空区及隐藏储水仓的危险。

采用TSP203、高分辨电法探测等手段进行预报,采用工作面地质素描观察隧道围岩的变化,特别是地下水的变化情况,对物探手段发现异常的地段采用超前水平钻孔加以验证。

钻孔时需安设孔口管及高压闸阀,当遇有高压水时,要立即拔出钻具,关闭孔口管的高压阀门,等待制定处理措施。

必要时辅以地质雷达探测。

(4)断层破碎带
首先利用地质调查与地质素描手段,确定在勘察阶段发现的宽大断层的大致里程、性质、产状、规模等。

此外,由于地壳中许多断层并未延伸至地表或被覆盖层所覆盖,隧道在开挖过程中所揭露的断层往往多于地表所发现的数量,故全隧均应进行TSP203探测,预报工作面前方围岩的强度、完整性、富水性,对可能存在断层地段采用高分辨电法、地质雷达作进一步探测,然后根据工作面素描观察隧道围岩的变化,统计节理组数及其形态变化,推测断层可能出现的位置,对可能出现断层的地段进行水平钻验证。

钻孔时需安设孔口管及高压闸阀,当遇有高压水时,要立即拔出钻具,关闭孔口管的高压阀门,等待制定处理措施。

2.4 渐进预报
人们对事物的认识需要经历实践—认识—再实践—再认识……的反复过程,对复杂地质情况的认识更不例外,具渐进性认识的特点。

勘查阶段对地质的认识有待进一步深化,施工地质预报也要不断深化,每次预报后对重要地质结论多做推敲,并与掘进过程中揭露的地质情况进行分析、对比,总结规律,不断丰富对地质规律的认识,提高超前地质预报的准确性。

3 不良地质的表现特征
在接近一些不良地质体时往往会有一些征兆,这些征兆可以作为我们预测预报前方工程地质条件,判断可能存在重大地质异常的标准；同样,地质现象在物探探测成果上也有相应的表征特征,这些特征可以作为我们分析、解释物探探测成果的标准。

在地质素描中及时发现工程地质前兆,掌握不良地质在物探探测成果上的表现特征是提高超前地质成果解释能力,及时发现不良地质现象的基础。

3.1 工程地质前兆
(1)临近大型溶洞水体或暗河的前兆标志
大型溶洞或暗河的前兆标志如下[8]：
①临近裂隙、溶隙间出现较多的铁锈或黏土。

②岩层明显湿化、软化,或出现淋水现象。

③小溶洞出现频率增加且多有水流、河沙或水流痕迹。

④钻孔涌水量剧增,且夹有泥沙或小砾石。

⑤有哗哗的流水声。

⑥钻孔中有凉风冒出。

(2)断层破碎带的前兆标志
断层破碎带的前兆标志如下：
①节理组数急剧增加,节理组数可多达6～12组。

②岩层出现牵引褶曲、褶皱,有时会出现由弧形节理组成的小型翻卷构造或反倾节理。

③出现压碎岩、碎裂岩、断层角砾岩等,岩层强度明显降低。

④临近富水断层前断层下盘泥岩、页岩等隔水岩层明显湿化、软化,或出现淋水和其他涌突水现象。

(3)煤与瓦斯突出的临近前兆标志
煤与瓦斯突出的前兆标志如下[8]：
①开挖工作面岩层发生鼓裂。

②瓦斯含量突然增大或忽高忽低。

③工作面有移动感。

④工作面发出瓦斯强涌出的嘶嘶声,同时带有粉尘。

⑤工作面附近,经常听到沉雷或闷雷声。

3.2 物探特征
(1)TSP探测
结合象山隧道地质预报过程中的TSP探测情况,并与实际开挖地质情况进行对比分析,总结出TSP探测有以下地质判释经验供参考。

①反射波振幅越高,反射系数和波阻抗的差别越大,说明围岩在此处的变化越大。

②若横波S反射比纵波P强,则表明岩层饱含地下水；比较反射振幅必须小心,因为反射振幅易受随机噪音和数据处理的影响。

③Vp/Vs有较大的增加或泊松比μ突然增大,常常因流体的存在而引起。

④若Vp下降,则表明裂隙密度或孔隙度增加。

⑤当岩石孔隙充满水时,Vp/Vs从1.4→2.0；当岩石的孔隙充满气时,Vp/Vs从
1.3→1.7。

⑥溶洞和暗河的判识原则如下[9]:
2D结果图中横波速度下降,纵波速度略微上升或者下降。

深度偏移图中有较强的负反射,而且反射面后一段距离内反射面较少。

对反射层浏览中溶洞壁反射信号的强度进行数据对比,其横波强度要大于纵波。

TSP判释中要综合考虑多种因素,结合岩石力学参数进行判释,但不应根据TSP成果提供的力学参数绝对值进行判释,而应根据相对值来判释。

(2)高分辨电法探测
根据地质预报过程中电法探测的经验,象山隧道地质预报中对是否存在地质异常按
以下原则进行判释：
①视电阻率的高低可判断前方是否存在低阻异常区,视电阻率在60以上可认为是地下水不发育。

②视电阻率在60以下的低阻异常区,可以以视电阻率的高低大致推测富水情况；即,含水区的空隙比越大,视电阻率越低；视电阻率无法定量推测水量,因为导水性很强
的节理裂隙在封闭的状态下,视电阻率不一定非常低,但一旦揭露,仍有可能出现大涌水,可结合实际情况做参考性推测。

③视电阻率变化越快,视电阻率线越密集。

视电阻率线密集带可以认为是隔水能力
较强段,反之认为裂隙发育情况、含水情况逐渐变化段,即是透水能力较强段。

(3)地质雷达探测资料的判断经验
地质雷达探测有以下地质判释经验可供参考：
①黏土层等土体均一性相对较好的地层,在无明显分界面的条件下雷达反射波较弱,
当出现分界面或洞穴及其他异常体时,会有明显的反射波组出现。

②完整岩石的均一性较好,雷达反射波强度很弱,常为低幅高频细密波；若岩层破碎
或出现岩溶及中等程度的风化,则岩石的均一性差,出现强反射波组。

③岩体中的断层破碎带,主要特征是地层错断使断裂带两侧的反射波组明显不连续；此外,岩层破碎使断裂带对电磁波的吸收加强,因此,断层破碎带常形成一条反射波组,同向轴不连续,反射波强度减弱[10,11]。

④溶洞的典型特征是其在边界上有强反射带,由于基岩和充填物性质的显著差异,充
填型岩溶洞穴会形成中间和周围基岩反射程度的强烈差别有水充填岩溶空洞尤甚；实际探测过程中,对岩溶空洞的判定首先要明确岩溶存在的可能性,然后再对出现的
雷达物探异常区进行地质解释,综合判定岩溶空洞的分布状态。

⑤在单波形或wiggle方式下,相对于射入线处于一种理想产状平整断层面(带)的波
形一般比较尖细,含水裂隙带或断层破碎带的波形稍宽一些；空洞或者溶洞的波形
钝而宽缓,边缘往往不规则。

(4)红外探水的判断经验
红外探水有以下地质判释经验可供参考：
①当隧道工作面前方及周边介质单一时,测得的红外场为正常场；当前面存在隐伏
含水构造或有水时,它们所产生的场强要叠加到正常场上,从而使正常场产生畸变,由此判断工作面前方一定范围内有无含水构造。

②工作面9个数据的最大差值>10 μw/cm2,就可以判定有水。

③红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水,其他情况判定无水；曲线变化越快(即曲率大)异常越明显。

4 提高地质预报效率的措施
针对各种预报手段的特点及隧道施工工序特点,在地质预报工作中采用平行作业可
节约地质预报时间,减少地质预报对工时的占用。

平行作业包括：
(1)与隧道施工平行作业。

(2)各预报手段之间平行作业。

4.1 与隧道施工平行作业
(1)地质调查、超前坑洞预报和红外探水的资料采集可与隧道施工同时进行,不影响
洞内施工。

(2)为尽量减少对隧道施工的干扰,超前地质探孔施钻由施工单位提供风水电及施工
作业台架、台架运移轨道及钻机台板,钻机放在专用的钻机台车上,由施工单位协助
把钻机台车直接拖到工作面,固定台车,连接电源、风管和水管即可施钻。

钻探完成后,把台车拖到洞外。

这样做可减少因钻机洞内安装、拆卸所占用的隧道施工时间。

(3)TSP探测,炮孔和接收器孔施钻可与隧道施工平行作业,由作业公司完成。

炮孔参数采集和接收器套管的安放、锚固可与隧道施工平行作业。

放炮采集数据时,可进
行震动小、不影响数据采集的作业。

(4)高分辨电法数据采集可与隧道施工平行作业。

(5)地质雷达探测可在初期支护施作与工作面钻眼或开挖的间歇时段内进行数据采集,不影响隧道开挖时间。

4.2 各预报手段间平行作业
根据各种预报手段的特点,为尽量节省预报时间,有时几种预报方法可同时平行作业。

如TSP探测与高分辨电法可同时平行作业,互不影响。

此外,洞内地质素描与红外探水、放射性监测、地质雷达探测可同时进行。

5 结论
(1)龙厦铁路象山特长隧道超前地质预报实践证明,以工程地质分析为基础,长距离宏观预报与短距离准确预报相结合、洞内探测与洞外地面地质调查相结合、地质分析与物探探测相结合,多种手段互补,多源信息联合分析的综合超前地质预报技术是提
高超前地质预报准确性的有效途径。

(2)分级预报和重点预报是节约地质预报资源,确保岩溶、断层、采空区等对施工有
重大不利影响的不良地质体准确预测的重要措施。

(3)掌握各种不良地质现象的工程地质前兆标志及其在物探探测成果上的表现特征
是提高超前地质成果解释能力,及时发现不良地质现象的基础。

(4)在地质预报工作中针对各种预报手段及隧道施工工序特点,平行作业(与隧道施工的平行作业；各预报方法之间的平行作业)可节约地质预报时间,减少地质预报对隧道施工工时的占用。

参考文献
[1]刘志刚,赵勇,李忠.隧道施工地质工作方法[J].石家庄铁道学院学报,2000,13(4)：1-5
[2]王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘察,2004(1)：7-。