谢 磊

(中铁十五局集团有限公司，上海 200070)

1 隧道风险概况

隧道尤其是高风险隧道超前地质预报对安全施工、设计优化等具有重要意义[1-2]。成(都)贵(阳)客运专线设计行车速度250 km/h，大方隧道起讫里程D1K392+250～D3K399+380，全长7 130 m，为双线隧道，隧道最大埋深210 m。隧道通过地区属低山峰丛洼地及溶蚀丘陵地貌，穿越山体高程为1 520～1 734 m，进出口相对高差为10 m左右，山顶峰丛，山丘相对高差30～80 m，溶蚀沟槽、溶蚀洼地、漏斗发育。隧道穿越山体除少部分砂岩、泥岩地层植被较发育外，大部分灰岩裸露，有零星灌木植被。隧道洞身段衬砌均按新奥法原理设计，初期支护采用喷、锚、网、钢拱架(格栅)支护，二次衬砌采用复合式衬砌。

隧道地质复杂，设计风险评估为极高风险隧道，隧道通过的地层及岩性有第四系全新统人工填筑(Q4ml)碎石土、坡残积(Q4dl+el)黏土，断层破碎带(Fr)压碎岩及角砾岩，二叠系上统龙潭组(P2l)泥岩、泥质粉砂岩，页岩夹煤层，二叠系下统茅口组(P1m)灰岩、白云质灰岩、燧石灰岩。隧道存在涌水、突泥的风险，为本工程的最大重难点。隧道正常涌水量Q=64800 m3/d，雨季集中降雨最大涌水量Qmax=129600 m3/d。根据其地质情况推测的涌水、突泥段落见表1。

表1 推测隧道洞身涌水、突泥段落

2 施工临报方案

2.1 掌子面地质素描

掌子面地质素描应在隧道作业每一开挖循环后立即进行，根据掌子面暴露岩层的层理、节理、裂隙结构状况，岩体软硬程度，出水量大小判断开挖前方地质情况。素描记录内容主要包括工程地质、水文地质等方面。应注意采用录像或照片等手段，记录以下重点内容：

(1)地质状况及其分布、性质和掌子面自稳性。

(2)围岩的软硬、裂隙间距及方向等围岩状态。

(3)断层的分布、走向、黏土化程度等。

(4)出水地点、涌水量及其状态。

(5)软弱层的分布。

2.2 TSP203超前地质预报系统

通过小药量爆破所产生的地震波信号沿隧道方向以球面波的形式传播，在不同岩层中地震波以不同的速度传播，在其界面处被反射(图1)，并被高精度的接收器接受，获得反映隧道工作面前方的P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的二维或三维空间分布。通过计算机软件分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况等，最终显示屏上显示各种围岩结构面与隧道轴线相交所呈现的角度及距掌子面的距离，并可初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数以供参考。但仪器在作业过程中对环境的要求较高，若噪声过大则会影响采集数据的准确性。

图1 TSP原理示意

TSP203超前地质预报系统洞内布置的接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的边墙上，一般情况下，它是由两个接收器孔和24个爆坡孔组成。接收器距掌子面约55 m，在隧道两侧对称布置，最后一个爆破孔距掌子面约0.5 m。爆破孔间距1.5 m，孔深1.5 m，孔径35～38 mm，孔口距隧底约1.0 m，向下倾斜10～20 °，接收器与第一个爆破孔间距20 m，接收器孔深2.0 m，孔径43～45 mm，孔口距隧底1.0 m，向下倾斜5～10 °。埋设传感器前，先清孔，清除孔底虚碴，放入环氧树脂药卷，插入传感器套杆并钻动，保证环氧树脂药卷充分搅拌。待传感器杆固定后，插入传感器，注意传感器方向朝向掌子面。测量时间选在施工交接班时间，要求工作面800 m范围内不得有机械作业和作业人员作业，作业前与现场施工员联系，以确定停工时间，此时准备好爆破药卷、电雷管等。由最里边炮孔开始，逐个依次装药联线，起爆器起爆，装药量根据围岩情况，一般控制在10～40 g。

通过TSP超前地质预报，能够及时地了解掌子面前方的地质情况，为隧道施工和及时合理地调整支护参数提供依据，有效地控制了地质灾害的发生，确保支撑隧道的岩石牢固可靠和施工质量，改善工地的安全，赢得了施工时间，降低成本，提高隧道掘进的进度，将风险降低到最小。

2.3 红外线探水法

采用 HY-303 型防爆红外线探测仪探测隧道隐伏含水构造，利用不同物体辐射场场强差异，对隧道前方的隐伏含水构造进行跟踪探测。即采用红外测温仪跟踪测量隧道开挖面的岩石温度，连续地获取岩石的温度信息，从温度异常点判断含水构造。HY-303防爆红外线探测仪可了解掘进前方10～30 m范围内是否存在含水断层和溶洞、是否存在含水破碎带。每作一次防水超前探测预报需15 min。向隧道上方探测掘进时未见到的含水构造。

向隧道下方探测了解底板下方是否存在空洞、是否存在含水岩溶构造、承压水是否以潜在形势向上运移。向两壁外侧探测了解两壁外侧是否存在隐伏水体、是否存在与隧道走向成小角度斜交的断层、是否存在溶洞。在隧道施工通过岩溶、岩溶水、断层破碎带可能发生涌水地段每开挖15～30 m，对开挖面前方施作一红外线探测技术，对地下水进行预报。

根据经验，一般是利用掌子面上探测数据两点间最大读数差值，参考背景趋势曲线，来判断前方含水可能性。考虑到由于标准方差是刻划随机变量在其中心位置散布程度的数字特征，其反映了偏离均值的偏离量。结合温度场模拟计算和资料分析，根据实地多次探测数据，分别计算其两点间最大读数差值和以下标准方差，在详细分析和统计实际观测出水资料的基础上，选取红外线探测含水安全值判别标准。

2.4 水平超前钻孔

钻探法是最直观、可靠的超前预报手段，对来自物探或其他方法认为重点怀疑地段，采用钻孔探测，通过对钻孔取岩芯，并利用岩芯作式样进行试验的分析，钻空钻速测试根据钻机在岩石中的钻进速度和岩石特性之间的关系来判断地层变化、岩性差异、地层含水量等信息。施工中，对于已出水的超前钻孔，要进行不间断的水流量、水压的监测，绘制水量、水压的变化曲线，为制定地下水处理方案提供依据。

钻孔一般布置在施工面布置2～3个超前钻孔，位置位于断面上半部中间。钻孔平行于隧洞轴线。当隧洞某一侧地质条件十分恶劣或有预灌浆要求时，钻孔方位可以有适当偏角。按物探方法预报提供的不良地质里程位置，在距不良地质10～30 m处，停止开挖，在开挖面进行钻孔，钻孔直径φ76 mm，钻孔长度为穿过不良地质，必要时并取芯，岩芯钻探的岩芯采取率，对完整和较完整岩体不应低于80 %，较破碎和破碎岩体不应低于65 %，钻进深度一般为30 m；对需重点查明的部位(滑动带、软弱夹层等)应采用双层岩芯管连续取芯。钻孔终孔点须在隧道开挖轮廓线外不大于5～7 m。其钻孔方向，其钻孔的水平角、倾角以及钻孔在开挖面上的位置须按平面、剖面坐标进行计算，并按设计推算可能见不良地质点位置(图2)。

图2 超前水平钻布置示意

3 施工临报技术要求

(1) 地质素描，随开挖进行，一般地段10～20 m素描一次，复杂地段每循环进行一次，包括掌子面、左右边墙、拱顶及隧底。

(2) TSP每次预报有效长度A级地段100 m左右，B、C级地段150 m左右，需连续预报时前后两次应重叠10 m以上。

(3) 红外探测每次预报有效探测距离约为30 m，连续预报时前后两次重叠长度应大于5 m。

(4) 超前水平钻孔，需要时施做，一般每循环10～30 m；断层、节理密集带或其它破碎富水地层每循环可只钻1孔；岩溶发育区每循环3～5个孔，当钻到溶洞时可适当增加钻孔，以满足溶洞处理所需资料为原则，钻孔应终孔于隧道开挖轮廓线以外5～10 m，孔口按计算应安设一定长度的孔口管；连续预报时前后两循环钻孔应重叠5～8 m。

4 结论

(1)成贵铁路大方隧道为高风险隧道，其主要风险形式为岩溶区段涌水、突泥，应对其开展施工临报。

(2)涌水突泥施工临报应采用掌子面素描、TSP、红外找水及超前水平钻相结合的综合预报方法。

(3)各方法的预报长度是关键控制因素，地质素描一般地段10～20 m,复杂地段每循环素描一次；TSP的预报长为100～150 m；红外找水为30 m;超前水平钻为10～30 m。