隧道穿越富水砂岩地层综合超前预报研究

隧道穿越富水砂岩地层综合超前预报研究

刘海波

刘海波

中铁十四局集团有限公司水利水电工程分公司山东济南250014

摘要：隧道穿越富水砂岩地层时，常伴有突涌水事故发生，影响施工安全和施工进度，有必要对隧址地质异常体进行综合预报分析。本文依托成兰铁路金瓶岩隧道2#橫洞，分析了金瓶岩隧道2#橫洞的不良地质发育特征，利用地震波法（TSP）、电磁波法（地质雷达）及红外探水等物探手段对隧道穿越富水砂岩地层段进行了探测，并结合超前水平钻探进行对比分析，探测结果与现场实际开挖揭露情况吻合较好。

关键词：富水砂岩地层；TSP；地质雷达；红外探水；

引言:我国西南地区不良地质分布广泛且较发育，隧道不可避免要穿越富水地层。富水地层内不良地质发育情况错综复杂，常会出现塌方、拱部落石、突涌水等事故，严重影响到隧道的施工质量，延误工期，造成重大的人身伤亡及经济损失。因此，对于富水地层不良地质体进行超前地质预报是安全顺利施工的有力保障。

本文依托四川省成兰铁路金瓶岩隧道2#橫洞，通过地质分析研究了富水地层发育特征，提出了长距离预报与短距离预报相结合、物探与钻探相结合的综合预报方法：利用TSP超前预报系统和地质雷达等物探手段对橫洞的富水底层进行了探测，并结合短距离钻探进行对比分析。研究表明，综合采用TSP超前预报系统，地质雷达，红外探水和短距离钻探可较为精确预报岩溶区隧道的不良地质，其预报手段可供类似工程借鉴。

1.地质分析与综合预报

1.1富水地层形态特征及分布规律

隧址区属构造剥蚀高中山地貌。主要穿越三叠系上统朱倭组砂岩夹千枚岩，区内区域构造影响，地层层位倒转，小褶曲发育，产状变化较大，节理发育，岩体受挤压破碎严重，围岩稳定性差，易产生局部掉块或整体坍落，对施工及运营安全不利。

①孔隙水

主要分布于岷江河床及两岸阶地松散堆积层中，土层厚度大且富水性好，其含水量较大，其余坡面由于地表土层较薄，且排泄较快，其含水量甚微，孔隙水主要接受大气降水补给，并向低洼地带排泄，其动态变化大，径流途径短，在雨季，尤其是大雨、暴雨之后，水位大幅度增高，动水压力增大，旱季反之。

②基岩裂隙水

区内基岩裂隙水主要赋存于砂岩、板岩中，千枚岩地层为相对隔水层。由于裂隙发育，基岩裂隙水较丰富，但受岷江深度切割影响，山高谷深，浅部地下水径流途径短，循环交替迅速，基岩构造裂隙水多于沟谷下部沿裂隙面就近以滴水状、片状或小股状排泄，以岷江或近临沟谷为排泄基准面，因此区内地下水埋置相对较深。

③构造裂隙水

段内发育镇坪肩状倒转复向斜。向斜为储水构造，尤其是向斜核部岩体破碎，富水性强，可能出现涌水、突泥。背斜核部附近岩体极破碎、富水性强，可能出现涌水、突泥，施工中需加强监测，设计堵、排水措施。

1.2TSP超前地质预报

TSP测量系统通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中以微震爆破来发射信号，通过反射时间与地震波传播速度的换算可将反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掘进面的距离确定下来，同时还可以将隧道中存在的岩性变化带的位置方便的探测出来。探测段岩体物性图预报结果解释见表1。1.3探地雷达超前地质预报

探地雷达(GPR)是利用频率介于10~10Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器。对探地雷达所采集的资料进行相应处理后，可根据反射波的传播时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。图1中TSP预报结果显示金瓶岩隧道2#橫洞H2DK0+550～+520段岩体充填物丰富，含水量高。为进一步查明该探测段的具体围岩情况，降低施工风险，特采用地质雷达对金瓶岩隧道2#橫洞H2DK0+550～+520段进行了复测。处理后的雷达图像反射波信号紊乱，波形振幅显著增大，推测该段围岩风化程度高，节理裂隙发育，充填物丰富，含水量较高，围岩自稳能力差。

1.4红外探水超前预报

红外探测就是根据红外异常来确定隐蔽灾害源的存在。地质体每时每刻都在由向外部发射红外能量，并形成红外辐射场。地质体由内向外发射红外辐射时，必然会把地质体内部的地质信息，以红外电磁场的形式传递出来。当隧道前方和外围介质相对比较均匀，且不存在隐蔽灾害源时，沿隧道走向分别对顶板、底板、左边墙、右边墙向外进行探测，所获得的红外探测曲线，具有正常场特征。当隧道断面前方或隧道外围任一空间部位存在隐蔽灾害源时，隐蔽灾害源产生的灾害场就一定会迭加到正常场上，使正常场中的某一段曲线发生畸变，畸变段称作红外异常。图为红外探测成果图。

沿隧道走向红外探测曲线图

根据上图在左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙、隧底中线的各探测曲线可见，沿掌子面方向，场强值呈上升趋势，并且五条曲线相互有交叉，说明掌子面前方具有含水构造体。

2.实际开挖情况

根据实际情况，掌子面开挖后主要为上统侏倭组砂岩，局部夹千枚岩，充填物丰富，节理裂隙发育，含水量较高，掌子面出现淋水。开挖结果很好地验证了此次TSP超前预报，探地雷达和红外探水的相结合探测手段预测充填型溶洞的准确性。

3.结语

本文依托成兰铁路金瓶岩隧道2#橫洞，通过地质分析研究了该橫洞的砂岩富水段不良地质发育特征，利用TSP超前预报系统、地质雷达和红外探水等物探手段对砂岩富水段进行了探测，结合掌子面揭露情况，很好地验证了此次TSP超前预报、探地雷达与红外探水相结合探测砂岩富水地段的准确性。根据预报结果，有针对性的对不良地质发育区域的开挖支护方案进行调整，保证了隧道富水地段的安全施工。这种综合预报能较为准确的确定掌子面前方不良地质的发育范围，及时调整开挖支护方案，对类似工程具有一定的借鉴意义。

参考文献:

[1]薛翊国等.TSP203超前预报系统探测岩溶隧道的应用研究[J].地下空间与工程学报,2007,3(7):1187-1191.

[2]窦顺等.瓦窑坡隧道岩溶地质超前预报综合技术[J].地下空间与工程学报,2011,7(2):366-370.