超前地质预报综合物探技术在六郎隧道施工中的应用

超前地质预报综合物探技术在六郎隧道施工中的应用苏彦喜（中铁十七局集团云桂铁路项目经理部二分部）摘要：六郎隧道岩溶高度发育，岩溶水丰富，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，目前已成功提前探测出多条溶腔和断层，为后续施工提供了技术保证，加快了施工进度，保证了施工安全。关键词：六郎隧道；超前地质预报；溶腔；物探一、工程概况六郎隧道位于红石岩～南盘江区间，起讫里程为DK573+807～DK587+897,全长14090m。本隧速度目标值为200km/h,预留250km/h的提速条件。本隧道设置一横洞+一贯通平导的辅助坑道模式，于隧道左线线路中线左侧30m设一贯通平导，平导进口里程PDK573+830,出口里程PDK587+920，全长14090m，平导设32个横通道与隧道正洞相连，正洞轨面设计高程=平导坑底面高程+2.1m，平导纵坡与正洞纵坡相同。于DK582+300左侧设置横洞一座，横洞长244m，交角为90°隧道主要穿越三叠系中统法郎组B段（T2fb）岩性为黄灰色薄至中厚层状泥岩、砂质泥岩、钙质粉泥岩、粉（细）砂岩，该套地层中普遍含钙质；个旧组二段（T2g），岩性为灰色、灰白色厚层至块状泥岩、白云岩、局部夹泥灰岩、钙质泥岩等。隧址区地下水类型划分为：松散岩类孔隙潜水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类岩溶水等三种类型，预测隧道正常涌水量约为7.9×104m3/d，雨季最大涌水量约为58六郎隧道地质情况复杂，主要不良地质现象为岩溶及岩溶水，施工中可能发生突泥、突水现象，主要工程地质问题有地表水的漏失、软质岩及软弱夹层、构造破碎带及构造裂隙水、崩塌落石、隧道发生岩爆的可能等。二、超前地质预报的目的由于六郎隧道地质条件很复杂，隧道穿越富水溶腔及断层，岩溶发育的复杂多变、可能会产生大量突泥、涌水，施工必须进行超前地质预报,以减少或避免因突泥、涌水而造成的损失，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、方位等；做好地质超前预报不仅保证了安全同时也节约了成本，通过超前地质预报，提前探明前方围岩情况，针对围岩情况，做好相应的支护准备，以减少没有必要的人员、物质、设备的投入，加快了工程进度。三、各种超前地质物探手段的原理1、TSP203探测TSP203地质预报系统探测、解译距离远,分辨率高,系统智能化程度高,数据记录基本采用自动记录系统,试验过程简单,对施工影响较小。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。六郎隧道采用RPD-150C型多功能高速钻机。RPD-150C多功能钻机系统具有探测准确、探测结果受外界影响小等优点。RPD-150C多功能钻机系统与TSP203地质预报系统有很大的互补性,综合两种手段,可以及时预测预报到大部分地质不良地段,为隧道工程的施工奠定基础。5、风钻超长炮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距离处挖一个平行且断面较小的导坑,以导坑中的地质情况预报正洞地质条件的方法。六郎隧道设置一贯通平导，全长14090m，目前六郎隧道3个工区的平导均已超前施做，为正洞施工提供了超前地质预报。7、地质素描利用地质理论和作图法,将隧道所揭露的岩性,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六郎隧道地质情况复杂，岩溶高度发育，岩溶水丰富,以地质综合分析判断为基础,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、地质雷达做短距离探水及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。六郎隧道成立第三方专业超前地质预报队伍（中国有色金属工业长沙勘察设计研究院），进行TSP及地质雷达、红外探水的专业预报。施工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见图3。图3综合超前地质预测预报的工艺流程图五、综合超前地质物探技术在六郎隧道平导PDK574+060处溶洞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，辅以地质雷达及红外探水，坚持对每个循环开挖后进行地质素描及加深炮孔。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3孔，正洞5孔）、加深炮孔(平导5孔，正洞10孔)、地质素描、运用地质雷达进行隧底隐伏岩溶探测。该段岩层主要为三叠系中统法郎组B段（T2fb）岩性属于泥质灰岩，节理较发育，岩溶较发育。1、TSP203探测的应用（1）探测时间现场探测准备时间为2011年1月21～22日，1月23日正式测试，2011年1月24日～1月25日进行资料处理与报告编制。（2）现场工作布置情况六郎隧道进口平导现场掌子面宽度5.6m，高6.1m。本次探测掌子面的里程桩号为：PDK574+013。共布置18个有效炮孔，接收孔与最近炮孔距离（3）仪器及现场工作方式本次探测采用瑞士安伯格测量技术有限公司TSP203Plus超前地质预报系统。仪器参数设置如下:记录单元①12道②24位A/D转换③采样间隔：62.5s④带宽:8000hz⑤记录长度：7218采样点⑥动态范围120dB⑦道数：1-12接收单元①三分量加速度地震检波器②灵敏度：1000mV/g±5%③频率范围：0.5～5000Hz（4）原始数据评价现场采集到的X分量的原始数据见图4，其中部分道由于装药原因或炮眼不符合要求导致能量较少从而信号稍弱，后期数据处理分析时做适当处理，其他各道的初至波均清晰可见，Y分量和Z分量情况基本一致。图4六郎隧道进口平导X分量原始波形图图5六郎隧道进口平导P波深度偏移剖面（5）数据处理与资料获取用TSP203Plus相应的专门处理软件TSPwinPLUS2.1对采集的数据进行滤波、初至拾取、炮能量均衡、Q评估以及波场分离（包括反射波提取、纵横波分离）、速度分析等处理分析，得到相关波（P、SH、SV）的深度偏移剖面及其反射界面，以及相关的岩石力学参数和二维、三维效果图。图6P波相关的部分成果图围岩纵波速度约为3164～4006m/s，泊松比范围为0.07～0.33，动态杨氏模量范围为21～28GPa。（6）探测结论1、掌子面概况掌子面揭露掌子面围岩属于泥质灰岩，围岩较完整，右侧上方有沟槽，左侧拱顶上方有溶洞，有粘土且潮湿，拱顶夹有粘土。2、探测结论综合分析上述探测成果，推测掌子面前方约140m范围内岩体工程地质特征如下：a、里程PDK574+013～PDK574+073区段，长60m，围岩破碎，裂隙发育，拱顶有粘土，局部有溶洞或溶沟，夹有粘土；b、里程PDK574+073～PDK574+118区段，长45m，围岩较完整，局部有夹泥；c、里程PDK574+118～PDK574+153区段，长35m，围岩较破碎，局部裂隙发育，夹泥。（6）建议针对现场探测结果，建议如下：a、施工单位对报告中提到的不良区域引起重视，应采用地质雷达进一步探测，必要时采用钻探工作，确保施工安全。同时，加强现场资料收集工作，以利于探测资料和实际揭露的情况相互印证。b、加强围岩监控量测，根据反馈信息实施动态施工，根据现场开挖具体围岩情况修改支护设计参数，确保顺利施工。2、地质雷达法与红外探测法的应用2011年2月19日采用LTD-2000地质雷达对（PDK574+045～PDK574+075）进行地质超前预报。采用HW-304红外探测仪对（（1）现场测试分析a)地质雷达测线布置按图7，在掌子面上布置1条测线进行地质雷达测试。主机接收器天线主机接收器天线图7掌子面1条测线布置示意图b)地质雷达测试结果分析根据雷达探测结果，综合掌子面描述，其分析如下表1，地质雷达测试波形图见图8。隧道名称测试范围设计围岩级别探测长度/m地质雷达成果推断建议围岩级别六郎隧道进口PDK574+045～PDK574+075Ⅲ级30m六郎进口平导掌子面左右侧有溶洞。左侧溶洞深约5m左右，中有粘土，16-19m范围疑有溶洞或溶槽，其它岩石局部夹泥或软弱夹层。Ⅳ级c)红外探测测线布置2011年2月19日通过对六郎隧道内进行预报探测，六郎隧道掌子面后方以达到布置12个探测序号的范围（60米），每5米子面的探测和后方60米探测。我们对其掌子面布置了24个点进行探测，后方72个点进行探测，掌子面布点如图9图9掌子面探点布置示意图d)红外探测测试结果分析通过对六郎隧道PDK574+045掌子面前方30米由掌子面岩体上均匀布置24个测点的红外辐射场强数值（见表2），可知其最大值为212W/cm2，最小值为202W/cm2，差值为10W/cm2，等于允许的安全值10W/cm2。根据上述判别方法，结合已开挖揭示的围岩情况，可以判定：DK574+045～DK574+075段存在含水构造，岩体局部较湿润。（2）结论与建议桩号为(PDK574+045～PDK574+075)的探测范围内,六郎进口平导掌子面左右侧有溶洞。左侧溶洞深约5m左右,中有粘土，16-19m范围疑有溶洞或溶槽，其它岩石局部夹泥或软弱夹层，岩层局部较湿润。以上可疑部位开挖时需加强注意，建议围岩类别为Ⅳ级。建议掌子面前方30米内(PDK574+045～PDK574+075)按Ⅳ级围岩开挖加强支护。在施工过程中应注意地质情况的变化，围岩开挖后局部易剥离掉块，所以在开挖过程中要注意小掉块的影响，并根据实际情况及时加强监测和支护。表2红外探测记录表掌子面红外探测记录表测点号123456MAX横向备注12062062082062072082220720920921220820833204205203206205202342052072062052042063MAX纵向346746沿线路走向红外探测记录表序号里程左边墙左边角墙拱顶右边墙右边角墙底板中线备注1PDK573+923185181187184186185由掌子面向外测量2PDK573+9181821781841861831813PDK573+9131791851791851821844PDK573+9081751751791831771745PDK573+9031701721761821741796PDK573+8081701701761731751747PDK573+8031711721701751681738PDK573+8881731751741771751729PDK573+88317117017317517217610PDK573+87816916917217317117011PDK573+87317317217217117216912PDK573+8681701701711731701673、超前地质钻孔（1）在平导对溶腔段的超前地质钻孔2011年2月23日，采用RPD-150C多功能钻机对六郎进口平导PDK574+050～PDK574+080段进行钻探，详见图10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＃PDK574+050～PDK574+080PDK574+050～PDK574+062段为灰白色灰岩，夹泥，围岩较破碎，无水；PDK574+062～PDK574+072段为灰白色灰岩，夹泥，发育有溶洞或溶槽；PDK574+072～PDK574+082段为灰白色灰岩，夹泥，围岩较破碎，无水；J2＃PDK574+050～PDK574+080PDK574+050～PDK574+065段为灰白色灰岩，夹泥，围岩较破碎，无水；PDK574+065～PDK574+070段为灰白色灰岩，夹泥，发育有溶洞或溶槽；PDK574+070～PDK574+080段为灰白色灰岩，夹泥，围岩较破碎，无水；J3＃PDK574+050～PDK574+080PDK574+050～PDK574+060段为灰白色灰岩，夹泥，围岩较破碎，无水；PDK574+060～PDK574+068段为灰白色灰岩，夹泥，发育有溶洞或溶槽；PDK574+068～PDK574+080段为灰白色灰岩，夹泥，围岩较破碎，无水；4、超长炮孔2011年2月25日，对六郎进口平导掌子面PDK574+056进行加深炮孔，炮孔布置见下图10，共加深五孔，加深后炮孔深度为7m，布置于拱部周边，外插角10°，以探明隧道开挖线外围的围岩情况。加深炮孔结果显示，在炮孔深度5m处开始有溶洞。图10超长炮孔布置图5、PDK574+060处溶洞发育段超前地质预报情况与隧道开挖情况对比在六郎隧道进口平导，通过对PDK574+060处溶洞发育段的超前地质预报，综合运用各种地质物探手段，为顺利通过溶洞发育段提供了必要的依据。开挖后的实际地质情况和预报结果进行比较，详见表4六、结语自六郎隧道进口工区一开始施工，就建立一支专业第三方的地质施工队，并配备专业的技术人员。在对溶洞发育段的超前地质预报，我们投入了大量的人力、物力，通过运用综合超前地TSP探测结果地质雷达与红外探测超前钻孔探测结果实际开挖情况a、里程PDK574+013～PDK574+073区段，长60