岩溶地区公路隧道超前地质预报方法与支护结构设计优化研究

摘要： 岩溶地区特殊的地质条件给公路隧道工程建设带来诸多挑战。本文聚焦于岩溶地区公路隧道，系统阐述了超前地质预报的重要性，详细分析了多种常用超前地质预报方法的原理、优缺点及适用范围。同时，深入探讨了岩溶地区地质特点对隧道支护结构的影响，并提出了相应的支护结构设计优化策略。通过综合研究，旨在为岩溶地区公路隧道的安全、高效建设提供科学依据和实践指导，有效降低工程风险，提高工程质量。

关键词： 岩溶地区；公路隧道；超前地质预报；支护结构设计；优化

一、引言

随着我国交通基础设施建设的不断推进，公路隧道在山区和岩溶地区的建设日益增多。岩溶地区以其独特的地质特征，如溶洞、溶蚀裂隙、地下暗河等广泛分布，使得公路隧道工程面临着极大的复杂性和不确定性。在岩溶地区进行公路隧道施工时，若不能准确掌握前方地质情况并采取合理的支护措施，可能会引发诸如突水、坍塌等严重的工程事故，不仅危及施工人员的生命安全，还会导致工程进度延误和成本大幅增加。因此，开展岩溶地区公路隧道超前地质预报方法与支护结构设计优化研究具有重要的现实意义。

二、岩溶地区公路隧道超前地质预报方法

（一）地质雷达法

地质雷达法是基于高频电磁波在不同介质中传播特性的一种探测技术。其工作原理是发射天线向地下发射高频电磁波，当电磁波遇到地下介质的电性差异界面（如溶洞与围岩的界面）时，会发生反射和折射，接收天线则捕捉这些反射回来的电磁波信号，并将其转化为电信号。经过信号处理和分析，可形成地质雷达图像，直观呈现地下介质的分布情况。

该方法的显著优点是探测速度快，能够在短时间内对隧道前方一定范围进行扫描；分辨率较高，可清晰分辨出较小规模的地质异常体，如较小的溶洞、溶蚀裂隙等。然而，地质雷达法的探测深度有限，一般在 30 米以内，且在含水量较高或导电性较强的地层中，电磁波衰减严重，影响探测效果。

（二）TSP 法

TSP 法（Tunnel Seismic Prediction）即隧道地震波预报法，属于地震波反射法的一种。它通过在隧道边墙布置一系列的爆破点，激发地震波，地震波在地下介质中传播时，遇到波阻抗差异界面（如断层、溶洞等与围岩的界面）会产生反射波。接收装置捕捉这些反射波，经过专业的数据处理和分析软件，可推断出隧道前方一定距离（通常为 100 - 200 米）内的地质结构信息。

TSP 法的优势在于探测深度较大，能够对隧道前方较远距离的地质情况进行宏观把握，对于识别较大规模的地质构造如断层、大型溶洞等具有较好的效果。但该方法的分辨率相对较低，对于一些细微的地质变化可能无法准确识别，且数据处理过程较为复杂，需要专业的技术人员操作和解读。

（三）超前钻探法

超前钻探法是一种直接获取隧道前方地质信息的方法。通过在隧道掌子面钻孔，取出岩芯样本，地质人员可以直接观察岩芯的岩性、结构、节理裂隙发育情况以及是否存在溶洞、填充物等信息。此外，还可以通过对钻孔过程中的钻进速度、冲洗液消耗量等参数的监测，进一步判断前方地质情况。

超前钻探法的最大优点是探测结果准确可靠，能够提供最直接的地质证据。但它也存在明显的缺点，如探测速度慢，对施工进度有一定影响；成本较高，包括钻探设备的购置、使用以及岩芯的分析处理等费用；而且钻孔数量有限，只能获取局部的地质信息，无法全面反映隧道前方的地质情况。

（四）综合预报方法

由于单一的超前地质预报方法都存在一定的局限性，为了提高预报的准确性和可靠性，在岩溶地区公路隧道的实际工程中，通常采用综合预报方法。综合预报方法是将多种预报方法有机结合，充分发挥各自的优势，相互补充。

例如，先利用 TSP 法进行宏观探测，对隧道前方较大范围的地质情况进行初步判断，确定可能存在的不良地质区域；然后使用地质雷达法对这些可疑区域进行详细探测，进一步确定不良地质体的具体位置、规模和形态；最后通过超前钻探法对重点部位进行验证，获取准确的地质参数。这种综合预报方法能够更全面、准确地了解隧道前方的地质情况，为施工决策提供可靠依据。

三、岩溶地区公路隧道支护结构设计优化

（一）岩溶地区隧道地质特点对支护结构的影响

岩溶地区的地质特点对隧道支护结构的设计有着显著影响。溶洞的存在会改变围岩的应力分布，导致局部应力集中，可能引发围岩的坍塌；溶蚀裂隙的发育降低了围岩的完整性和强度，使其承载能力下降；地下暗河或丰富的地下水会增加围岩的水压力，影响支护结构的稳定性，还可能对支护结构产生侵蚀作用。

（二）支护结构设计参数优化

初期支护参数优化：初期支护作为隧道施工过程中的重要临时支护措施，其参数的合理选择至关重要。在岩溶地区，应根据围岩的实际情况，如岩性、风化程度、裂隙发育情况等，确定喷射混凝土的厚度、强度等级以及锚杆的长度、间距和直径等参数。对于围岩较差的地段，可适当增加喷射混凝土的厚度和强度，加密锚杆布置，提高锚杆长度，以增强围岩的自稳能力。

二次衬砌参数优化：二次衬砌是隧道的永久性支护结构，在岩溶地区，需综合考虑地下水的影响、围岩的后期变形以及结构的耐久性等因素来优化其参数。对于地下水丰富的地段，应加强二次衬砌的防水设计，如采用防水混凝土、设置防水板等；同时，根据围岩的预计变形量，合理确定二次衬砌的厚度和配筋，确保其在长期运营过程中能够承受各种荷载作用。

（三）特殊地质条件下的支护结构设计

溶洞处理：当隧道穿越溶洞时，需根据溶洞的大小、形状、充填情况以及与隧道的相对位置等因素，采取不同的处理措施。对于小型溶洞，可采用浆砌片石或混凝土进行回填，以增强围岩的稳定性；对于大型溶洞，可采用梁、拱跨越方案，通过设置钢筋混凝土梁或拱结构，将隧道荷载传递到溶洞两侧的稳定围岩上；对于充填型溶洞，还需对填充物进行加固处理，如采用注浆加固等方法。

暗河处理：遇到暗河时，首先要准确确定暗河的水流方向、流量和水位变化情况。一般可采用改移暗河的方法，将暗河水流引至隧道影响范围之外；或者设置泄水孔、排水盲沟等排水设施，将暗河中的水有组织地排出隧道，降低水压力对隧道结构的影响。同时，要加强隧道的防水和抗渗设计，防止地下水对隧道结构的侵蚀。

四、结论

岩溶地区公路隧道的超前地质预报和支护结构设计是保障隧道工程安全、顺利建设的关键环节。通过合理运用多种超前地质预报方法，形成综合预报体系，能够有效提高对隧道前方不良地质情况的探测精度和可靠性。同时，根据岩溶地区的地质特点，对隧道支护结构设计参数进行优化，并针对特殊地质条件采取相应的处理措施，可显著提高隧道支护结构的稳定性和耐久性。在今后的岩溶地区公路隧道建设中，应进一步加强对超前地质预报技术和支护结构设计优化的研究和实践，不断总结经验，推动岩溶地区公路隧道工程技术的发展和进步。

参考文献

[1]杨立， 赵才聪. 三维激光扫描技术在岩溶隧道中的应用及处治方案探讨[J]. 工程建设与设计， 2024， （15）： 116-118.

[2]吴忠林. 富水区山岭公路隧道地下水限量排放与施工控制对策研究[D]. 重庆交通大学， 2024.

[3]叶鹏飞. 富水隧道防排水措施及衬砌结构力学特性研究[D]. 重庆交通大学， 2024.

作者简介：卢磊，出生年月：1984.06.08，性别：男，民族：汉，籍贯：，毕业院校：河北理工大学，毕业专业：土木工程，学历：大学本科，工作单位：河北高速集团工程咨询有限公司，职称：高级工程师，研究方向：高速公路道路养护等.