超前地质预报综合技术在隧道施工中的应用研究

超前地质预报综合技术在隧道施工中的应用研究

陈学文

关键词：超前地质预报；隧道；应用

中图分类号：U456.3文献标识码：A

Researchontheapplicationofadvancedgeologicalforecastingtechniqueintunnelconstruction.

ChenXuewen

(GuangdongProvvincialChangdaHighwayEngineeringCo.,Ltd,Guangzhou,Guangdong,510620,China)

Abstract：Becauseofadvancedpredictiontechnologyoffielddataacquisitionenvironmentinterferencefactorsaffectinguncertainty,aswellasthegeologicalknowledgelimitationofdataanalyst,leadtogeophysicalprospectingpredictionresultsaremultiplesolutions,anysingleforecastmethodofforecastaccuracyisnotveryreliable,atthesametime,differentmethodsfordifferentgeologicaldisasterforecasteffectisdifferent.Comprehensiveutilizationofseveraldifferentadvancedgeologicalpredictiontechnologycanimprovetheaccuracyofgeologicalprediction,bettertoprovidesecurityforthetunnelconstruction.

Keywords：advancegeologyforecast;tunnel;application

1引言

岩溶隧道以其特殊的构造特征，通常以充填黏土、黏土加块石地段的围岩变形破坏较为严重，岩溶涌水、涌泥、地表塌陷及地表水源枯竭等伴生地质灾害尤为突出。灾害的发生威胁施工安全，延缓施工进度，并带来重大人员伤亡和无法估量的经济损失。在隧道施工过程中及时准确地进行超前地质预报，可以为隧道开挖支护变与增加工程量更提供依据，并可有效地控制地质灾害的发生。对于隧道安全顺利施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免施工损失、节约投资具有重大的社会效益和经济效益。

2常见地质预报方法简介

隧道施工超前地质预报技术根据预报距离的不同，分为长期和短期两种预报形式。长期预报的预报距离为掌子面前方100～200m以上，目前国内外主要采用地震反射波法进行探测，如瑞士安伯格公司研发的TSP-203系统、国产TGP系统等。短期预报是在长期超前地质预报的基础上进行的，预报距离为掌子面前方15～30m范围，目前国内外主要采用地质雷达、瞬变电磁、超前水平钻杆、红外探水、和地质分析法等方法。

1.1地质分析法

地质分析法是隧道超前地质预报最基本的方法，是其他预报方法解释应用的基础。通过收集分析地质资料、地表详细调查、隧道内地质素描、超前风钻、涌水量预测等方法，将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘制成图表，结合已有勘测资料，进行隧道开挖面前方地质条件的预测预报。

优点：理论基础牢固，设备简单，操作方便，可以随时进行，不干扰施工，提交资料及时，且能为整座隧道提供完整的地质资料，费用低。

缺点：对操作人员地质知识水平要求较高，靠有限之“见”，导致预报范围有限，对与隧道交角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。

1.2超长炮孔法

地质雷达往往受到工作面渗水等场地条件限制，超长炮孔法是大量采用的主要工作方法。一般超长炮孔的孔深要达到6m以上，环隧道开挖面的周壁布置，部分设置一定的外插角，以保证开挖一个循环后，工作面前方有2m以上，周边有4m以上的稳定岩磐。

在钻设炮孔时，根据钻进速度的变化、岩粉的鉴定、泥浆的颜色与水体通过炮眼流出的速度进行对比分析，来预测打眼深度范围内的地质情况。

优点：设备简单、操作方便、费用低、占用隧道施工时间短，可与爆破孔同时施作对施工几乎没有任何干扰，炮孔数量多，保证预报精确度。

缺点：孔浅，预报距离短，且不能取岩芯。

1.3超前地质钻探

超前地质钻探是利用水平钻机在隧道工作面进行地质钻探获取地质信息的一种地质超前预报方式。图1是某隧道复杂地段水平钻孔布置方式图，钻孔纳入了施工工序，每30m一个循环，纯钻时间5～9小时，辅助时间1～2小时，干扰施工时间6～11小时（约7～13%）。

图1超前水平钻探钻孔布置图

优点：可比较直观地告诉我们钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、裂隙度、溶洞大小、有没有水以及可测水压高低等；与物探方法相比，它具有直观性、客观性，不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性。

缺点：费用高、占用隧道施工时间长，且资料只是一孔之见；理论上讲，由于溶洞发育的复杂性、多变性，几个钻孔也难100%地把掌子面前方的管道岩溶提前揭露预报出来。

1.4地质雷达法

地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，其理论基础为高频电磁波理论。工作方式是以宽频带短脉冲的高频电磁波的发射来探测目的体，雷达系统向被探测物发射电磁脉冲，电磁脉冲穿过介质表面，碰到目标或不同介质之间的界面而被反射回来，根据电磁波双层走时的长短差别，确定探测目标的形态及属性，结合工程地质理论分析对地质体进行探测。图2为地质雷达预报原理示意图。

优点：施工干扰小，现场检测时间短（一般10～30min），对掌子面前方地层岩性变化、断裂带特别是含水带、破碎带，溶洞有较高的识别能力，预报精度高。

缺点：预报探测距离较短，大约在20～30m之间，对于长隧道只能分段进行预报，同时雷达信号容易受洞内机械干扰。

图2地质雷达预报原理示意图

1.5TSP隧道地震探测法

TSP属于多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（在隧道的左边或右边墙），一般不少于24个炮点用硝铵炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异面（如断层、破碎带、溶洞、软弱夹层和岩性变化时）产生反射波，反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接受，由数字记录仪放大，输出并记录。数据通过TSPwin软件处理，便可了解隧道掌子面前方的不良地质体的位置和规模（图3、图4为TSP测量原理图，图5为TSP探测侧线和仪器布置图）。图3中隧道上方和下前方会形成地震波反射，是因为岩体中存在的岩性变化带和构造破碎带，其介质的密度与其传播弹性波的速度乘积，与正常岩体介质的密度和传播弹性波的速度乘积具有明显的差别，像玻璃的背后附有水银会反光一样。岩体介质的密度和传播弹性波的速度乘积物理学中称为“波阻抗”，岩体中界面两侧介质“波阻抗”的差异越大，其界面上反射地震波的能力越强，反之亦然。

优点：探测预报距离远，一般预报为100～200m；分辨率高(最高可达1m分辨率)；抗干扰能力强（除打钻、放炮以外，基本不受干扰）；对隧道施工影响小（钻孔和测试均在隧道隧洞侧壁进行，洞内探测时间仅用30～60min）。

缺点：需要施工配合钻孔，工序较复杂，并采用放炮方式激发信号。对预报溶洞大小、溶洞填充类型、地下水、断层产状、断层位置等方面信号反映的效果较差，精确度有待提高，需要具有丰富地质经验的专家进行分析。

3岩溶隧道综合超前地质预报体系的研究

3.1方案比选

由于受各种条件的限制，系统图中每种预报方法都有各自的优缺点，我们只能有选择性地将其中的两种或多种方法组合在一起，构成“隧道超前地质综合预报系统”。

通过采用“排除法”，标段初步选择了以下几种相对适合的方法作为“隧道超前地质综合预报系统”的组合因子：地质分析法、超长炮孔法、超前水平钻孔法、地质雷达探测法、隧道地震波预报法（简称：TSP）。

同时，标段运用“头脑风暴法”提出以下几种组合方案并对其进行比选（见下表1）：

注：本表程度从大到小分级：高（大）、较高（大）、较低（小）、低（小或无）

经过对各种组合方案进行对比分析，确定如下方案：

适用范围最广、预报距离最长、安全性最高、对施工干扰性最低、最具有经济性、准确性和高效性的最佳组合方案——“地质分析法+超长炮孔+地质雷达探测法+隧道地震波预报法（TSP）”，构成“隧道超前地质综合预报系统”。

本工程隧道施工超前地质预报的总体思路：以地质分析法为基础，结合并灵活应用TSP-203系统、地质雷达系统，适当采用超长炮孔，以地质雷达法为主要预报手段。形成长短结合、宏观把握、重点监测的综合超前地质预报系统。

预报程序如下：

（1）对待进行地质预报的隧道进行详细的地质调查分析，了解隧道区域地质、水文地质条件，初步确定隧道施工地质预报的重点和难点。

（2）在隧道施工过程中，以地质雷达法主要进行跟踪地质预报，预报距离5～30m，并根据掌子面围岩地质情况适当调整预报断面数量。

（3）TSP-203系统主要做长距离宏观控制预报，根据设计勘探地质资料，对隧道开挖重点难点段100m附近进行TSP预报。

（4）当隧道施工开挖揭露断层破碎带或溶洞时，需要对断层破碎带或溶洞的发育规模，形状，充填物性质以及含水情况进行详细探测时，采用地质雷达进行预报测试。

（5）根据预报结果，在报告中指出掌子面前方可能发育岩溶或断层破碎带，可能发生围岩大变形（软弱围岩、浅埋、偏压、膨胀性围岩），岩溶及涌突泥水，塌方等地质灾害的地段，采用超长炮孔法预测围岩及含水情况。

（6）综合归纳、分析、对比各种预报结果，提出最终预报结论和工程措施建议，指导施工作业，如根据隧道围岩的变化情况，修正勘察设计资料，提供设计变更资料，及时进行围岩变更，改变开挖方法，提高支护形式，增加施工效益和效率。对不良地质体提前采取预案，规避施工风险，保证施工安全。

3.3实施效果

超前地质预报效果见下表2：

4工程应用实例

4.1TSP-203预报实例

现以靖那二标段隧道出口为例，果乱隧道出口右洞施工掌子面里程为K56+991，隧道穿越山体垭口，根据设计资料，结合地表地质调查，地表有落水洞分部，拱顶距地表埋深约40m。隧道内与落水洞对应的部位极可能发育岩溶，为此采用超前地质预报。

本次测试掌子面里程为K56+991。图9是获取的掌子面前方的地震波经过处理后的有关弹性波参数及其变化曲线。图9中K56+829～774段Vp/Vs和泊松比上升且波动较大，反射增多，常常出现较小突变起跳，依据TSP解释准则经分析解译为一段围岩裂隙水且溶洞发育，由于纵波速度Vp整体在3000～5000m/s之间，反映出围岩强度较高，也间接反映出围岩完整性相对较好，因此稳定性相对较好。

表3为在果乱隧道出口右洞段进行的TSP地震波法探测结果，在一次预报距离为171m地段段，围岩岩体局部破碎并含裂隙水、发育有不同规模溶洞和溶蚀现象，开挖后拱顶股状裂隙水，较大溶洞发育。

4.2地质雷达预报

图12是预报掌子面照片，掌子面岩体主要为灰色，深灰色厚层灰岩，岩层产状不清，岩体完整性一般，岩质较硬，局部岩体微风化。

图13雷达探测波谱图

本次雷达探测波谱图如图13。本次对果乱隧道右线出口进行地质超前预报，预报范围为K56+796～K56+766，共计30m，得出结论如下：

ZK56+796～ZK56+793（0～3m）：电磁波与当前掌子面电磁波信号基本一致，无异常变化；结合相关信息从而推断出，该段围岩情况与掌子面当前围岩情况基本一致，无明显变化。

ZK56+793～ZK56+777（3～19m）：电磁波回波信号出现异常；结合相关信息，从而推断出，该段围岩仍以中风化石灰岩为主，岩质较坚硬，岩体整体较破碎，局部较完整，岩体多呈块状，节理、裂隙较发育，裂隙水含量偏高，出水多为潮湿状，同时，该段围岩溶隙发育，局部存在夹泥现象，形成溶穴可能性大，施工中应谨慎掘进，及时支护。

K56+777～K56+766（19～30m）：电磁波回波信号出现异常；结合相关信息，从而推断出，该段围岩以中风化石灰岩为主，岩质较坚硬，岩体整体较完整，局部较破碎，节理、裂隙较发育，裂隙水含量较高，同时，该段围岩溶隙发育，形成溶穴可能性极大，施工中仍应谨慎掘进，及时支护。

4.3超前炮孔探测

掌子面掘进至K56+793段时采用超前炮孔钻探，钻孔深度6m，在K56+793～790段炮孔钻进速度正常，岩粉新鲜，但K56+790～787段钻进速度突然加快，有水激射涌出。故判定K56+790～787段有溶洞发育，且为富水溶腔。

4.4现场开挖验证

在右洞施工至K56+790段时，出现特大溶洞，溶洞贯穿左右洞，其内的充填物为淤泥夹石，无自稳能力，拱顶常掉块并伴有巨石掉落，溶洞主要向上下及左右四个方向发展，整个溶洞内涌水严重，呈“瀑布”状。在溶洞口位置明显感受到洞内有较大气流涌动，推测与地表落水洞贯通。

5结论

通过超前地质预报的指导及隧道参建各方的努力下，我标隧道施工没有出现因地质问题导致的质量及安全事故，为我标隧道施工安全，进度及质量等提供了坚实的技术保障。实践证明，岩溶地区综合超前地质预报技术的成功应用带来了显著的经济效益和社会效益，也为其他岩溶隧道施工综合超前地质预报技术提供参考和借鉴依据。

参考文献：

[1]齐甦.隧道地质超前预报技术与应用[M].北京：气象出版社,2010.

[2]王锦山，王力，张延新,等.隧道施工超前地质预报理论基础与方法[M].武汉：中国地质大学出版社,2012.

[3]中交第一公路工程局有限公司.公路隧道施工技术规范[M].北京：人民交通出版社,2009.