李朋朋 毛学谦

中铁隧道局集团有限公司工程测量试验分公司， 广州，511458

经过半个多世纪的发展，特别是近一、二十年以来，隧道施工超前地质预报已经有了一套较成熟的技术方法。目前国内外已基本形成共识，即采用“以地质调查法为基础，综合物探技术为手段，超前钻探验证”的预报方式方法进行隧道施工地质超前预报，总体来说预报体系已相对成熟^[1-5]。

竖井作为辅助坑道，在长大施工隧道中得到了广泛使用。竖井井身施工越来越长，但隧道施工竖井不同于水平隧洞，施工方向垂直向下，受重力影响显著，同时由于地质条件复杂，地下水丰富、补充快，不可预见且不可控制因素较多等，很容易造成淹井事故^[6-7]，超前地质预报预测地质水文状况十分必要。隧道施工地质超前预报体系虽然相对成熟，但常用于水平隧洞，由于观测系统布置有别、空间环境条件限制，针对水平隧洞设计的地质预报体系难以满足竖向的地质探测，实施运用非常困难^[8]，竖井采用的预测预报手段仍然是以传统的多方位加密长距离探孔为主，不光耗时耗力，对于高角度裂隙发育、地质千变万化且富水的地层来说，“一孔之见”存在较大的安全隐患。

为了研究竖井的综合超前地质预报探测体系，高效率高精度探明竖井的地质水文状况，依托于大瑞铁路高黎贡山隧道竖井，根据现场施工特点以及复杂的地质问题，对竖井的超前地质预报预测系统进行了研究，以期为深大竖井的超前地质预报工作提供借鉴。

1竖井施工概况

1.1 工程及地质概况

高黎贡山隧道位于怒江车站与龙陵车站之间，最大埋深约1155m。隧道进口里程为D1K192+302，出口里程为D1K226+ 840，隧道全长34538m，于洞身中部采用主副井设置方式设置2座竖井,主井直径为6m,副井直径为5m。其中，1号竖井深度约764m，2号竖井深度约640m。高黎贡山隧道竖井井址位于云南高原西部边缘，属高黎贡山脉南延段，受印度板块与欧亚板块碰撞影响，区域内地质构造断裂、断层较发育，动力变质作用及热力变质作用较为强烈，属高黎贡山古生界变质岩紧密褶皱和花岗岩体高山区。地下水以基岩裂隙水为主，主要含水层为砾砂、卵石土、漂石土、碎裂状混合花岗岩及辉绿岩，隔水层主要为粉质黏土和混合花岗岩。

1.2 施工条件及局限性

竖井施工工艺一般采用六臂伞钻向下垂直钻孔,炮眼深度为4.8m，装药、爆破后使用中心回转抓岩机装碴到吊桶，吊桶运送碴体至井口，滑模下放、定位、浇筑混凝土，段高为3.6m，一掘一砌。相对于斜井施工进入隧道，竖井施工距离短、节约工期，节约成本，对环境影响小。但同时也有自身的局限性：（1）竖井是施工组织唯一的通道^[9]，提升系统是深大竖井施工中重要的组成部分，竖井施工过程中，任何工序都离不开提升系统；（2）竖井井身狭小，抽排水能力有限，地下水向最低点（即工作面）汇集，工作面存在长时间积水的情况；（3）施工风险高。

2 竖井超前地质预报特殊要求及难度

竖井淹井和井壁坍方风险是建井期间最主要的风险。竖井穿越软弱、破碎围岩地段时，围岩自稳能力差，若局部地段地下水发育，就会加大竖井围岩坍塌的风险。而且地下水发育时，因为抽排水能力有限，若抽排水不及时就会发生淹井事故，将对人员安全和工程造成极大的损失。因此，隧道竖井超前地质预报工作要求是探明掌子面前方围岩破碎程度和含水状况。由于竖井空间

位置的特殊性以及竖井所处的地质背景，针对水平方向平洞设计的超前预报预测在竖井内实施非常困难。因此对竖井超前地质预报预测方法开展了调研，同时针对地质预报预测方式方法对竖井适应性进行了综合评价，具体评价结果如下。

针对竖井超前地质预报的特殊工作要求，超前地质预报方法应该满足：①不受工作面积水问题的干扰；②不受竖井井身狭小的影响，能按要求布置观测系统，并且有一定的操作空间；③能有效预测出地质水文状况；④施做时间不宜严重影响施工进度，施做过程中不宜存在人为附加的安全隐患。综合超前地质预报方法适用性评价结果以及现场实际情况，竖井超前地质预报采用以地质调查法为基础，复频电导物理探测技术为主，长、短距离探孔相结合的综合超前地质预报体系。

3 竖井综合超前地质预报体系

图1 竖井超前地质预报工作流程图

Fig.1 Work flow chart of advanced geological prediction of shaft

3.1 地质调查法

竖井工作面开挖后及时记录隧道洞身和掌子面地质情况的一种方法，它是地质调查的细化和补充，内容重点为地层岩性、地质构造、地下水特征，根据得到的地层岩性、地质构造、不良地质、水文地质特征等，判定围岩完整性和围岩分级，结合勘察和地质调查取得的地质资料预测隧道前方地质情况。

3.2 CFC复频电导物探技术

CFC复频电导技术(Complex Freqency Conductivity)是一种新的电磁波探水技术。侯景方等论述了CFC在隧道内探水的适用性，CFC复频电导技术能够分辨1～3m的含水裂隙面，不占用工作面，几乎不受隧道内金属机具的干电磁影响^[10]；陈方明等论证了CFC复频电导技术阵列式的测线布置方式有效提高探测的方向性，场地限制不明显，施做时间不长，不耽误施工进度^[11]。

岩体一般作为具有电导率与电容率的复频电导介质。CFC复频电导技术是以含水岩体电导与电容率增大、波阻抗降低特性为基础，使用中频电磁波有效区分干岩体和含水岩体，在含水岩体与干燥岩体接触带电磁波发生反射，依据入射电磁波与反射电磁波的相干特性来实现对掌子面前方围岩含水性的预测。CFC复频电导技术采用偶极子天线发射与阵列接收。为了有效规避隧道内金属物体的电磁干扰，使用电极长度约1.5m埋设于左右对称岩体中，电极间距5-10m，4对电极阵列接收。获得围岩含水性的分布与电磁波速和介电常数相关关系，作为含水性预报的依据。

3.2.2 CFC探测硬件系统

CFC复频电导技术探测系统发射机频带100KHz～20MHz，最高发射峰值电压6KV，发射电流可达120A。电磁波数字采集仪为双通道，采样率为400MHz/ch，动态16位，同步记录发射电流及接收极电压。仪器如图2所示。

3.2.3测线布置

在井壁对称方向原则上尽可能靠近井底工作面布置第1组接收电极，每隔8m的间距布置1组电极，共布置3～5组接收电极，激发电极布置1组，距最近接收电极8m的间距，电极埋深均为1.5m。

3.2.4数据采集分析

利用竖井的提升系统进行自上而下的移动，人员和设备固定处于吊盘上。首先连接激发电极，在施做过程中激发电极始终处于连接状态，每移动一次吊盘测量1组电极，直至全部完毕。对采集得到的成像数据进行分析、整理，并结合前期已有的地质资料进行综合分析、评价。室内资料整理及解释主要经过选取记录、预处理数据、编辑观测系统几何位置、频谱归一化、电磁波速扫描、以及CFC合成孔径偏移成像计算等过程。

3.3超前钻孔技术

超前地质钻孔以长、短距离结合的形式进行预报预测。由于CFC复频电导技术主要探测地下水发育状况，无法探知围岩完整程度，采用长距离钻孔则是对围岩破碎程度的确认，短距离钻孔是对CFC复频电导技术和长距离钻孔结果的验证。对于CFC复频电导技术和长距离钻孔探测有异常的区域，短距离钻孔探测需要循环搭接施做。

3.3.1 设备    

钻孔施工采用型号为KQJ-92的潜孔型钻机，配φ60mm钻杆，Φ90mm冲击钻头，配合工作平台。工作平台一般使用工字钢、槽钢及钢板组合搭设.固定前，由技术人员根据钻孔布置示意图要求进行放线，钻机安装完毕后，重点检查钻机的位置、角度、标高是否合乎要求。

表2 潜孔型钻机参数表

Table 2 DTH drilling rig parameter 3.3.2孔口管埋设

 钻机按照计算得到的方位、孔径、倾角、切向角调整施做角度固定进行钻孔，钻孔深度大于孔口管长度0.5m，吹净孔内碎屑物质，灌入提前准备的水泥砂浆，紧接着下放孔口管进行锚固，孔口管外伸0.3m。同时调整孔口管的角度，在周围用木楔将孔口管找正固定。孔口管由Ф108×6mm无缝钢管加工而成，孔口管下部车成倒竹节状。安装完成后，及时封闭，以防杂物掉进孔口管内。

3.3.3长距离钻孔技术

在竖井工作面中心位置垂直钻1孔，深度40～80m，以探明前方地层围岩破碎程度。循环预报搭接长度以5m以上岩盘为宜。

钻进过程中必须有技术人员全程跟班，根据钻进速度和钻孔岩粉情况及时记录、判定岩层和涌水情况，所有现场采集的数据要及时反馈至预报组，由预报组整理、分析并出具超前地质预报报告书。

 3.3.4短距离钻孔技术

竖井周边轮廓线均匀布置4孔，遇到特大异常，钻孔数增至5～7孔，以对前方地层地下水发育状况和围岩破碎程度进行验证，考虑到竖井施工风险及静水压力大的情况，相对于平洞加深炮孔较循环进尺加深3m以上，存在安全隐患，预留的安全岩盘厚度（即循环预报搭接长度）应随着竖井井深不断进行修正。

B—搭接长度，m;

P—最大静水压力，MPa；

D—井筒净直径，m；

—岩石允许抗剪强度。

4工程应用

2019年4月30日在高黎贡山隧道1号竖井副井里程S1FK0+632开展了综合超前地质预报超工作。地质素描揭示岩性为浅灰色混合花岗岩，弱风化为主,较硬岩，局部岩质较软，似片麻状构造，裂隙较发育，岩体较完整～较破碎， SW方向局部发育软弱夹层，掉块、片帮。地下水较发育，井壁滴水、渗水为主，井筒总水量约/h。综合超前地质预报方法采用CFC复频电导技术和中长、短距离钻孔技术，预报范围：S1FK0+632～S1FK0+732。

 4.1 CFC复频电导技术数据处理成果

通过软件系统对CFC复频电导技术获取的数据进行处理分析，结果获取1号竖井副井掌子面S1FK0+632前方100m范围内围岩含水结构的偏移图像，成像结果如图6。

图6 CFC偏移图像成果图

Fig.6 CFC offset image results

4.2 中长距离钻孔结果

根据钻进速率、渣样分析、清洗液颜色等分析，中长距离钻孔显示S1FK0+632～S1FK0+662段钻为浅灰色混合花岗岩，弱风化，属较硬岩，局部岩质较软，节理裂隙较发育，岩体较破碎，局部破碎；S1FK0+662～S1FK0+692段浅灰色混合花岗岩，弱风化，属较硬岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，地下水较发育，水量约6.12m³/h；S1FK0+692～S1FK0+732段浅麻灰色混合花岗岩，弱风化，属较硬岩；节理裂隙较发育～发育，岩体破碎，局部较破碎，地下水发育，水量约30.0 m³/h。

4.3 综合成果

岩体较破碎，地下水较发育，水量约6.12m³/h；S1FK0+692～S1FK0+732段浅麻灰色混合花岗岩，弱风化，属较硬岩；节理裂隙较发育～发育，岩体破碎，局部较破碎，地下水发育，水量约30.0 m³/h。

表3 综合超前地质预报成果表

4.4 短距离钻孔验证

通过CFC复频电导技术和长距离钻孔探测得出，S1FK0+692～S1FK0+732段岩体破碎，局部较破碎，地下水发育，以股状出水为主，对S1FK0+692～S1FK0+732段进行短距离钻孔验证，搭接长度为B=3.3m(由公式1得出)，由于该段竖向裂隙发育，增大钻孔角度至30度，更可能多得穿透多条高角度裂隙。

短距离钻孔结果为S1FK0+692～S1FK0+732段W侧附近岩体破碎程度高，出水点主要集中在W侧。

针对短距离钻孔得到的结论，施工至该里程段落前应针对性对W侧围岩进行超前加固处理。

4.5 开挖揭示效果

通过开挖揭露S1FK0+692～S1FK0+732段围岩情况如下：

S1FK0+692～+708段为浅灰色～深灰色混合花岗岩，弱风化为主,较硬岩，岩体较完整～较破碎，呈块状、碎块状构造， SW方向围岩整体相对较差，夹层发育较密集，泥质、岩屑充填，掉块、片帮，地下水较发育，SW方向小股状及线状出水；

S1FK0+708～+718段为浅灰色混合花岗岩，弱风化为主,较硬岩，岩体较完整～较破碎，呈块状、碎块状构造， NW、SW方向围岩整体相对较差，软弱夹层发育，泥质、岩屑充填，掉块、片帮，地下水较发育，W方向线状出水；

S1FK0+718～732段为混合花岗岩，弱风化,较硬岩，岩体较完整，呈块状、碎块状构造， NW方向围岩相对较差，夹层发育较密集，软弱物充填，掉块、片帮，地下水较发育，NW方向线状出水。

因此，通过短距离钻孔验证不仅查明了出水位置和围岩破碎区域，也为针对性超前处理和加固提供了依据，减少了盲目施工。

5 结论

（1）随着各类工程建设和矿山开采向深部发展，立井开拓方式会越来越频繁地应用到铁路和公路隧道上，以地质调查法为基础，复频电导物理探测技术为主，长短距离探孔相结合的综合超前地质预报体系能够适应竖井空间位置的特殊性，施做方便、受干扰小且安全性高；

（2）竖井综合超前地质预报体系能够有效避免“一孔之见”，真正达到了以物探指导钻探，宏观指导微观的科学性，针对高角度裂隙发育、地质条件复杂且富水的地层效果更佳；

（3）竖井综合超前地质预报体系一定程度上减少了盲目钻孔消耗的时间、人力和财力，对施工进度的影响小，更高效。

参考文献（References）：

[1] 雷春英，尚亿军，李晓虎等，综合超前地质预报技术在马桑哨隧道中的应用研究[J].工程地质学报，2012，20（2）：1007-1012.

[2] 周轮，李术才等.隧道综合超前地质预报技术及其工程应用[J].山东大学学报（工学版），2017，47（2）：55-62