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齐岳山隧道超前地质预测预报系统殷怀连（铁道第四勘察设计院城建院430063）摘要文章介绍了宜万线控制性工程齐岳山隧道以RPD－150C多功能钻机超前钻孔和加强钻爆孔为主，TSP203等物探为辅的超前地质预测预报系统，具有简单、直观，并且对施工进度干扰小的优点，有效的预测岩溶高压突水、突泥等不良地质。关键词超前地质预测预报岩溶1引言近年来随着我国国民经济的飞速发展以及隧道工程技术的不断进步，铁路隧道工程越来越多的在以前的“地质禁区”修建，隧道越修越长，因此所遇到的隧道工程地质问题也越来越多，对于这些地质条件复杂的长大隧道，开展施工期超前地质预测预报非常必要。隧道所处的地质条件或地质背景千差万别，不同地质背景条件下的隧道施工对隧道施工期间超前地质预报的要求是不一样的。齐岳山特长隧道是宜万铁路的控制工程，在岩溶区施工，最大的工程地质问题为岩溶高压突水、突泥，因此，地质预报的重点是岩溶发育的位置、规模，岩溶充填性质，岩溶涌水（突泥）量及涌水水压等的预报，由此建立了以RPD－150C多功能钻机超前钻孔和加强钻爆孔为主，TSP203等物探为辅的超前地质预测预报系统，在保证施工进度的前提下，有效的预测岩溶高压突水、突泥等不良地质，结果简单、直观。2工程概况齐岳山隧道为新建铁路宜昌（宜）－万州（万）铁路重点控制工程之一，隧道全长10526m，地处湖北省利川市城外西偏北23km处，隧道设计为单面坡，从进口至出口依次为－13‰、－15.3‰、－6‰下坡，在线路前进方向隧道左侧30m设置贯通的平行导坑（L－10565m），在DK367+521右侧设四轨双道有轨运输斜井一座(荆竹园斜井，L－752.2m)。齐岳山隧道穿越中、下侏罗统上、下沙溪庙组、新田沟组、自流井组、珍珠冲组和三叠系须家河组、巴东组、嘉陵江组、大冶组，以及二叠系长兴组、吴家坪组、茅口组等地层，其中可溶岩长4.7km，占全隧总长度的45%，可溶岩均处在隧道进口反坡施工端。齐岳山隧道穿越区段可分为中山区（进口～DK364+900）、中山谷地（DK364+900～DK365+150）、低中山区（DK365+150～出口），三个区域分别对应齐岳山构造溶蚀地貌、中部得胜场溶蚀槽谷地貌、西部碎屑岩剥蚀地貌。齐岳山隧道主要地质构造为齐岳山背斜、箭竹溪向斜，以及规模较大的断层15条，其主要不良地质有岩溶、岩溶水、断层破碎带、天然气、煤系瓦斯、高地应力和地温等，其中齐岳山背斜和得胜场槽谷区被称为该隧道施工的两大难题。地勘表明，隧道周围主要发育得胜场地下暗河体系、大鱼泉地下河系统、小鱼泉地下河系统。预测隧道正常涌水量17.6×104m3/d，最大涌水量74.2×104m3/d。其中齐岳山背斜地段正常涌水量3.7×104m3/d，最大涌水量17.7×104m3/d。齐岳山隧道DK371+783齐岳山背斜F6P2wF5T1jF3F1标高(m)1000DK361+2551200160014001800F5-1F7F4T1dP2cP2wP2wP1mP1mP2cT1dF8F10F9F11T1jT2bT3xjF12J1zJ2xJ2xsJ2sF14F13F15T1j三叠系下统嘉陵江组T1d三叠系下统大冶组P2w二叠系上统吴家坪组P2c二叠系上统长兴组T3xj三叠系上统须家河组J2z侏罗系下统珍珠冲组T2b三叠系中统巴东组P1m二叠系下统茅口组J2x侏罗系中统新田沟组J2xs侏罗系中统下沙溪庙组J2s侏罗系中统上沙溪庙组得胜场槽谷箭竹溪向斜图1齐岳山隧道工程地质图3齐岳山隧道超前地质预报系统为提高超前地质预测预报的准确性，充分发挥各种探测方法的优点，采用综合方法以解决单一方法的缺点，具体而言：（1）超前地质预测预报方案采用五结合原则，即地表和洞内相结合，长距离和近距离相结合，宏观控制和微观探测相结合，构造探测和水探测相结合，地质法、物探法与钻探法相结合。（2）采取地质法、物探法（TSP203法、地质雷达法等）和钻探法（超前深孔钻探、炮眼孔加深钻探）等综合方法进行超前地质预测预报工作。通过地质法分析前方地质构造，通过物探法预报前方异常体构造，通过钻探法确定前方不良地质。通过对各种预测预报方法相互印证，不断总结提高预测预报的水平和准确性。3.1地质法地质法是隧道地质超前预报采用的一种基本方法。主要是根据施工掌子面地质条件及变化情况分析推测前方的地质情况，其主要内容有：掌子面岩性描述、地下水状况、岩体结构面产状及发育状况、岩体破碎程度、岩石的变质程度等的变化特征，结合地表地质调查结果，采用相关分析（包括结构面统计分析、构造相关分析等）进行超前预报。地质法仅适用于地层岩性比较均一的围岩，主要预报隧道掌子面前方存在的断层、不同岩性间的接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏形式等。地质法地质超前预报是最早开展的，也是任何其它隧道地质超前预报方法的基础。3.2超前平行导坑法齐岳山隧道在线路前进方向隧道左侧30m设置贯通的平行导坑（L－10565m），由于平行导坑断面小，开挖进度快，且与隧道间距小，其揭示的地质情况与隧道通过的地质条件基本相同。本隧道平行导坑一般超前正洞300～500m左右，对隧道超前地质预报有很大作用，但平行导坑在掘进中也同样可能遇到岩溶突水、突泥等不良地质问题，可能对施工造成同样的困难。3.3超前探孔超前探孔是目前各种超前地质预报方法中最简单、最直接、最准确的一种预测预报方法。该种方法是在掌子面布设超前探孔，采用钻机进行超前钻探，根据钻机在钻进过程中推力、扭矩、钻速、成孔难易及钻孔出水情况确定前方的地层和岩性，同时进行涌水量和水压测试及水质分析，判断掌子面前方的地层含水情况及性质。由于该方法不仅能确定隧道掌子面前方的地质情况，还可以起到探水作用，是岩溶发育区隧道施工最好的超前预报方法。长期以来制约该方法发展的不足之处是速度慢及探测结果只是一孔之见，不能形成“面”的概念。目前国内超前钻机钻进速度约1m/h且钻进深度约40m后钻进速率下降非常快，所以在超前钻孔探测设计时一般钻孔深度取40m，搭接5m，即每循环可开挖深度约35m，在灰岩区若没有突水、突泥，只需7天即开挖35m，按照每断面钻孔1个，耗时40h计，超前钻孔占工序时间的24％，若掌子面钻孔3个，超前钻孔占工序时间达72％，对施工进度影响非常大。齐岳山隧道采用RPD-150C多功能钻机为旋转冲击式钻机钻进速度最快可达12m/h，钻孔深度达150m，有效的解决超前探孔占用工序的弱点，占工序时间由24％降至3.4％。（1）RPD-150C多功能钻机介绍①性能RPD-150C多功能钻机为旋转冲击式钻机，采用高压水清洗钻孔；水平最大钻孔深度为150m；钻孔方向的角度范围：垂直方向为-90°~+30°，水平方向左右各35°；钻孔直径为65~225mm，钻孔仅能设直孔；根据施工需要可分为取芯和不取芯两类；采用履带行走方式，最大爬坡角度为30°；钻进速度（不取芯）最快可达12m/h（石灰岩），一般情况下，钻探150m孔需要24小时。②特点RPD-150C多功能钻机和同类钻机相比，具有记录自动化、数据详细等优点。钻机电脑可对钻进速度、孔深、回转力、给进力、打击速度、进水压力、排水压力、时间等各种数据进行自动记录。在钻进中遇到特殊情况时亦可进行人工记录。RPD-150C多功能钻机最大的特点是钻进速度快，另外该钻机还具有操作简便、结果简单直观等优点。（2）超前探孔探测方案采用RPD－150C结合加强钻爆法的超前探孔探测方案，钻孔根据地质条件分深孔长距离钻探、中距离钻探和浅孔短距离钻探三种。①深孔长距离钻探在大规模的断层构造段实施，钻探距离一般为150m，原则上一次穿越不良地质构造段，形成综合预报结果。深孔长距离钻探平导探孔数量1个以上，布设于开挖断面中间、水平位置。正洞探孔数量不少于3个，分别布设在拱顶、中间位置和拱底，中间位置水平布置，拱顶和拱底位置探孔终孔位置应位于开挖轮廓线外1.5m处。②中距离钻探是针对富水地段所采取的主要钻探方式，钻探距离为40m，钻探后根据所探测到的地质情况开挖长度为35m。中距离钻探探孔位置和钻孔数量同深孔长距离钻探。③浅孔短距离钻探是针对深孔长距离和中距离钻探所探测到的不良地质段的施工补充钻探，它主要是采用加强钻爆孔对前方地质进行探测，即在钻炮眼孔时采取加深到5m的钻孔方法，一次爆破2.5~3.5m。浅孔短距离钻探每开挖一个循环施作一次，探孔数量5个，分别布设于拱顶、两侧边墙、拱底和中间位置，均水平布置。由于采用了RPD－150C快速钻进，提高了钻进速度，可以有效解决传统超前探孔对工序影响大的问题，通过中距离钻探和浅孔加强钻爆法，布置平导的钻孔达到了7个，正洞钻孔达到11个，能有效的反映出掌子面前方隧道开挖面内的地质情况，解决超前钻探一孔之见的缺点。3.4物探法在任意介质中传播的波，当其传播到该介质与另一介质的分界面时，一部分发生反射，另一部分传过界面折射继续在另一介质中传播。波反射法主要利用声波、超声波、地质波及电磁波在地层中传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号，判释隧道掌子面前方反射界面（断层、软弱夹层等）距隧道掌子面的距离来进行地质超前预报，常采用的有TSP、地质雷达、HSP声波反射、地震波反射等。不良地质体（断层及其破碎带、风化破碎岩体、岩溶洞穴及其填充物、节理密集发育带、地下水富集带等）与周边地质体间明显的声学特性差异，是波反射法超前地质预报的物性前提。物探法地质超前预报存在的主要问题有：①地质体的各向异性，决定了采用物探法进行地质超前预报的多解性；②物探法预报主要是对界面（断层及其破碎带、软弱夹层、不同岩层分界面、地层分界面）位置的预报，对掌子面前方地下水状况、岩溶洞穴充填物及其性质、水量、水压等不能有效的预报，而这正是岩溶隧道施工的重点和难点。齐岳山隧道选用了地质雷达和TSP203超前探测系统。地质雷达是目前分辨率最高的地球物理方法，但是由于预报距离短，易受隧道洞内机器、管线干扰，主要用于隧道开挖后隧道周边隐伏岩溶探测和衬砌厚度检测。TSP203探测距离长，约100m，对施工干扰小，尽管其对岩溶水等探测精度不高，但是在进行了长距离超前探孔前提下，利用超前探孔掌握的地质资料，对探测资料进行分析，是对超前探孔的一种有益补充。3.5超前地质预报流程（图2）图2超前地质预报流程图4超前地质预报系统应用齐岳山隧道在施工过程中多次突水、突泥，采用以RPD－150C多功能钻机超前钻孔和加强钻爆孔为主，TSP203等物探为辅的超前地质预测预报系统，收到了很好的效果，以下仅举几例。（1）PDK361+597岩溶：2004年3月22日，隧道施工至PDK361+582.5后停止掘进，采用地质钻机进行超前地质钻探。3月24日20:00，钻进至13.8m时，钻孔冲洗液变浊；20:10，钻进至15.2m时，钻孔内开始出现涌泥；20:13，钻孔内开始涌水，喷射距离2m，如图3。经测试，涌水量为300m3/h。由于涌水量大，钻机无法钻进，随后停止钻进。1小时后，钻孔内涌水量减小到150m3/h，之后，涌水逐渐减小，稳定在30m3/h。地质雷达探测是否为溶洞或岩溶管道是补充钻探确定处理方案开挖支护地质雷达隐伏岩溶探测注浆堵水是否否异常中距离钻探短距离钻探是否存在丰富地下水地质法长距离钻探TSP203否图3PDK361+597岩溶（2）PDK361+873岩溶：2004年5月31日3:50，平导掘进至PDK361+870，采取超前炮眼孔进行超前探测。炮眼孔钻至PDK361+873.5时，突然发生突水，最远喷射距离5m，单孔涌水量60m3/h，如图4。于是，立即启动应急预案，封闭掌子面，进一步进行加强钻探并进行水压测试。针对平导PDK361+873岩溶，通过采取TSP203、地质雷达，以及深孔超前钻探等综合超前地质预测预报手段，探测到含水体构造溶腔呈上窄下宽、右窄左宽型态。掌子面范围内溶腔宽度为0.4～4.7m，溶腔由左上向右下延伸，左上最大溶腔宽度12m，右下最大宽度4m。测试最大水压力为0.26MPa，稳定水压力为0.14MPa，预估涌水量为2～