向莆鐵路巖溶隧道超前地質預報技術

周大勇

(中鐵十四局 向莆鐵路FJ-3A指揮部，福建 尤溪 365114)

向莆鐵路棋盤石隧道位于福建省尤溪縣境內，全長10 808 m，最大埋深770 m，為雙線鐵路隧道。隧道施工采用3臺階礦山法實施，共設3個橫洞，計劃工期42個月。

棋盤石隧道穿越多個地質單元，包括大理巖、石英砂巖、綠泥片巖等十幾種巖性，斷層較多，地下水發育，水量大。初步查明較大規模斷層有16條，其中含有8條壓扭性斷層，斷層影響帶為中等強富水，地質資料揭露多處有溶洞，施工過程中存在溶洞、突泥突水的風險，給反坡施工排水帶來了較大困難。

能否準確預報施工期間隧洞內可能產生涌水、塌方、流砂等工程地質問題的具體位置、范圍及其危害，對于減少或避免處理塌方、突泥突水等地質災害，確保施工人員和設備安全，減少工程投資，保證工程順利進行具有重要意義。

1 超前地質預報方法比較與選擇

目前常用的隧道超前地質預報的方法很多[1]，主要包括:

1)地質分析法，包括斷層參數預測法、地質體投射法、掌子面編錄預測法等;

2)長距離地質預報物探方法，包括地震波反射法、水平聲波反射法(HSP)、陸地聲納法等;

3)短距離地質預報物探方法，包括地質雷達探測法、瞬變電磁法(TEM)、紅外探水法等;

4)超前鉆探法，包括短鉆孔、長鉆孔。

在超前地質預報的各種方法中，地質分析法須在預報前對隧道周圍地質進行準確分析，才能保證預報的精度，但對于地質知識較差的預報人員來說，容易對與隧道夾角較大而又向前傾的結構面產生漏報;水平超前探孔法預報周期較長，難以滿足工期的要求;電磁波法在隧道施工過程中干擾因素較多，往往造成假的異常，形成誤判;彈性波法探測既能滿足常規的鉆爆施工要求，又能滿足TBM掘進機施工要求，應用較多。

根據棋盤石隧道的地質特點，在綜合比選不同預報方法適用條件、優缺點后，最終選擇了物探方法以TSP203為主，其他手段進行輔助，結合地質分析、超前鉆孔等方法進行不良地質超前預報工作。

2 TSP203地質超前預報系統原理與設計

2.1 系統原理

TSP203隧道超前探測系統屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設計的震源點(通常在隧道的左或右邊墻，大約24個炮點)用小量炸藥激發產生。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來(圖1)，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數據通過TSPwin軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質體的性質(軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等)和位置及規模。

2.2 TSP203超前預報系統組成

1)記錄單元:12道，24位 A/D轉換，采樣間隔62.5 μs 和 125 μs，最大記錄長度為1 808.5 ms，記錄帶寬8 000 Hz和4 000 Hz，動態范圍120 dB。

2)接收器(檢波器):三分量加速度地震檢波器，靈敏度為1 000 mV/g±5%，頻率范圍為0.5～5 000 Hz，共振頻率9 000 Hz，橫向靈敏度>1%。

圖1 TSP探測原理

3)TSPwin軟件:數據采集和處理集于一體，高度智能化。

2.3 觀測系統設計及數據采集

觀測系統設計見表1，觀測系統布置見圖2。

表1 觀測系統設計表

圖2 觀測系統示意圖

洞內數據采集應遵循以下原則:

1)按規定布置震源和傳感器鉆孔，特別是孔距;

2)采用兩個傳感器，實施雙臂探測;

3)兩個接受導管必須安裝牢固;

4)探測過程中，盡量減少噪聲和漏炮;

5)熟練掌握觀測系統的布置方法;

6)炮孔布置應選擇巖性相同處;

7)炸藥最好選用高爆速防水炸藥;

8)起爆器必須充分充電;

9)爆破時孔內應充滿水，以減少聲波干擾;

10)炸藥量選擇合理，既不能使振幅失真，又不能過小。

2.4 數據處理程序、解譯與評價原則

處理流程包括11個主要步驟，即數據設置→帶通濾波→波初至拾取→起跳點信號處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。

對處理成果的解釋與評價，主要根據以下基本原則進行:

1)反射振幅越強，反射系數和波阻抗的差別越大;

2)正反射振幅(紅色)表明正的反射系數，表明剛性巖層;負反射振幅(蘭色)指向軟弱巖層;

3)若S波反射比P波強，則表明巖層飽含水分;

4)Vp/Vs較大的增加或泊松比δ突然增大，常常因流體的存在而引起。

3 在本工程中的應用

根據設計院提供的地質資料，結合地表補充調查、3#橫洞洞內開挖工作面地質素描和全洞身地質素描資料進行綜合地質分析，表明該洞存在溶洞和暗河的可能性非常大。建議加大預報頻率，采用 TSP203、地質雷達和超前水平鉆孔的聯合預報方法對掌子面跟蹤預報，嚴格要求TSP203預報距離不超過100 m，發現異常情況采用地質雷達和超前水平鉆孔驗證。

截止2009年8月10日，棋盤石隧道3#橫洞開挖1 149 m，從H3DK1+148進入大理巖段，大理巖段開挖進尺為241 m。共進行了3段次超前地質預報，發現兩處溶洞和一個較大斷層[2]，見圖3。其中 H3DK1+129處為一小溶洞，采用地質雷達探測表明較大溶腔在線路的左側[3]，施工過程中對隧洞左側加強了支護，施工順利通過，開挖揭露3條溶洞裂隙;在H3DK0+891處TSP203預報顯示為一較大溶洞群。繼而采用地質雷達和超前水平鉆孔探測表明溶洞內水壓不大，施工隊擅自打開，結果造成隧洞涌水，涌水量達30多萬方，最后研究確定采用從隧洞右側繞行的方式通過。由于預報及時準確，采取支護措施得當，施工中沒有因漏報不良地質發生地質災害，目前工程開挖順利。表明以TSP203為主的超前地質預報工作在本工程建設中起了重要作用。

4 技術經驗總結

4.1 加強地質調查分析

地質調查分析是隧道超前預報的基礎，分析目的主要在于應用超前地質預報的地質理論，初步判斷隧址主要構造方位、力學性質和構造多期活動特征及其不同方位構造對隧道圍巖穩定性的影響程度。同時判定主要地層類型(如煤系地層、灰巖、白云巖等可溶巖地層等)特征及其隧道圍巖穩定性的影響程度，主要巖漿巖的類型(如侵入巖、噴出巖)特征、空間分布特征及其隧道圍巖穩定性的影響程度，現今地應力特征及其與區域地殼運動的關系等。

4.2 提高TSP203數據采集技術

1)正確判斷和選取主要探測壁。主要探測壁即炮孔布置壁，正確選取主要探測壁對 TSP203超前預報的準確度十分重要，其直接影響預報質量，甚至造成預報的失誤。

圖3 地質災害位置示意圖

2)信號接收孔與第一個炮孔之間距離應不小于15 m且不大于20 m。TSP203采集信號質量的好壞，決定于地震波的激發和接收條件，信號接收孔位置對信號質量影響非常大，與第一個炮孔的距離過大或過小都會影響數據采集質量。

3)減小面波對地震反射波的干擾。在隧道進行地震反射波預報中面波是干擾波。面波在洞壁傳播與在地表傳播是一樣的，洞壁表層有利于面波的傳播，因此無論是在洞壁激發，還是在洞壁接收，面波的干擾都是較大的。面波的壓制，主要采用爆破孔內注水耦合，因此，激震源起爆時注水好壞對信號質量有很大的影響。

4)降低管道波的干擾。接收孔鉆孔深度一般不小于1.9 m，采用水泥漿耦合時要保證水泥漿的稠度，必要時對接收管露出部分進行防護。

4.3 提高不良地質體解譯技術

對不良地質體的解譯，采用深度偏移影像圖(尤其是P波的深度偏移圖)與巖體動曲線對照解譯，并結合地質條件判斷不良地質體的規模性質及空間位置，總結出對不良地質體的判斷基本原則。

1)要充分利用隧址的地質資料和掌子面信息。

2)綜合分析P、SH、SV分量的偏移影像圖，根據相似性取舍反射面。

3)巖性分界面的劃分應以激發、接收在同一側的縱波(P波)為主，激發、接收不在同一側的為輔;

4)綜合分析各分量相似反射面的屬性，正反射界面后巖體趨好，負反射界面后巖體趨差;

5)有無水的判釋應綜合分析各分量的同一反射面，縱波(P波)偏移影像弱，橫波(SH波)偏移影像強，可判有水。反之可判無水。

6)巖溶隧道采用TSP203進行預報時預報距離不應大于100 m。

5 結語

綜合超前地質預報技術在本工程中取得了較為成功的應用。該系統具有適用范圍廣、預報距離長、對隧道施工干擾小、提交資料及時、預報準確、精度高等優點。TSP203是地球物理勘探的一個手段，有它的應用條件和適用范圍(如順洞線不良地質體的探測，該系統將受到限制)，目前我國還沒有相應的國家和行業規范，因此要求預報人員要掌握一定的地質基本知識和理論，不斷豐富和積累地質實踐和解釋經驗，提高TSP解釋水平，才能在隧道施工中發揮更大作用。

[1] 劉志剛，趙勇.隧道隧洞施工地質技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

[2] 劉志剛，婁國充.向莆鐵路棋盤石隧道 3#橫洞 H3DK1+148-H3DK1+048 TSP203地質超前預報報告(棋第04號)［R］.中鐵十四局向莆鐵路指揮部，福建省尤溪縣，2009.

[3] 劉志剛，婁國充.向莆鐵路棋盤石隧道3#橫洞 H3DK1+124地質雷達地質超前預報報告(棋第02號)［R］.中鐵十四局向莆鐵路指揮部，福建省尤溪縣，2009.

[4] 郎玉光.隧道超前地質預報綜合技術［J］.鐵道建筑，2007(12):48-50.