超前地質預報技術在隧道地質勘探中的應用

商 琦

(中鐵二十局集團第六工程有限公司，陜西西安 710032)

0 引言

隨著經濟和科學技術的快速發展，我國在復雜地質條件下修建的隧道越來越多、越來越長，遇到的隧道工程地質問題越來越復雜。由于在隧道的勘察設計階段對隧道的地質勘察的力度有限，受勘察精度、工作經費等條件的影響，地質勘察對隧道的地質情況只有一個宏觀的把握，對隧道復雜的地質情況的認識還不夠深入。依據地質勘察資料做出的設計方案與實際情況經常不符，在隧道施工中復雜的地質情況以及地質變化都直接影響施工方法和施工工期。對于地質情況復雜的隧道，施工時也會引起地質的變化;施工前能了解隧道前方的地質情況，有利于隧道的施工，確保施工安全。因此，有必要在隧道施工前對隧道所通過區域的地質情況進行超前地質預報。

1 超前地質預報工作的重要作用

超前地質預報工作在隧道工程施工中主要有以下幾方面的作用:1)在復雜地質條件下，能夠保證隧道施工安全，避免施工時隧道洞內塌方、涌水、涌沙、涌泥、瓦斯爆炸、巖爆等災害的發生，確保施工人員的安全;2)能減少或避免因地質災害引起的工期延誤，增加施工成本;3)節約施工成本。在施工過程中，準確的隧道地質情況預報能夠減少很多不必要的安全防護措施，節約施工成本;4)根據準確的隧道地質情況預報，能夠根據地質情況提前對施工方法進行調整，對一些復雜的地質情況能夠提前采取相應的技術措施;5)是完善設計地質資料、優化施工方案、指導施工決策和保證施工人員及設備安全的需要;6)能夠為隧道的設計及變更提供依據;7)在隧道建成使用階段，可作為其地質災害治理的依據。

2 TSP超前地質預報技術

TSP超前地質預報系統的原理:在隧道掌子面后方一定距離內布置探測鉆孔，在探測鉆孔放置適量的炸藥，通過引爆炸藥來發射信號，這些信號能夠在巖體中以球面的形式向四周傳播，其中一部分向隧道前方傳播，經隧道前方的界面反射回來，反射信號經接受傳感器轉換成電信號并放大。從起爆到發射信號被接收的這段時間是與反射面的距離成比例的。通過反射時間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進面的距離確定下來，同時還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便的探測出來。

采用TSPwin軟件對由TSP超前地質預報系統采集的數據進行處理，能夠得到P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數等成果。

在成果解釋中，以P波資料為主對巖層進行劃分，結合橫波資料對地質現象進行解釋。

3 工程實例

3.1 工程概況

某隧道洞身依次通過三疊系須家河組砂巖夾頁巖、煤線，侏羅系珍珠沖組、自流井組、新田溝組、下沙溪廟組泥巖夾砂巖，穿越銅鑼峽背斜。隧道區主體構造為銅鑼峽背斜，在它的東面為明月峽背斜，其間為大盛場向斜;在它的西面為龍王洞背斜，其間為沙坪向斜。這些背、向斜均呈北東～南西向延伸、向斜寬緩，背斜緊湊，構成背斜與向斜相間排列的構造格局。

3.2 施工布置

出口端:在隧道DK18+359的右邊墻位置布置一個地震波信息接收孔，孔徑為50mm。在DK18+346～DK18+312段的右邊墻位置，按約1.5m的間距布置24個激發孔分別激發地震波，激發孔孔深1.5m左右，孔徑約40mm，孔向下傾斜約10°，每個激發孔裝填的藥量為65g～100 g，激發孔和接收孔基本保持在同一個高度上。

3.3 鉆探結論

本次預報時掌子面里程為DK18+294，結合地質雷達和TSP法，本次預報的里程范圍為DK18+297～DK18+210段。

1)DK18+297～DK18+294段:地質雷達探測后發現，隧道中線左側拱頂圍巖松散，裂隙節理十分發育，富水，存在約2m～4m空腔(沿隧道中線左側DK18+294～DK18+297，距拱頂約2m處，存在寬約2m，高約4m空腔)。2)DK18+294～DK18+250段:長度約44m，探測后發現，本段圍巖破碎，強度降低。裂隙節理十分發育，部分區段存在密集反射區，有一定張開度，富水;其中自隧道斷面至DK18+270段，特別是DK18+290～DK18+280附近，圍巖裂隙節理十分發育，強度下降，存在軟弱巖層，傾角65°，與隧道軸線夾角50°。約DK18+268～DK18+250段巖層強度降低，注意DK18+274，DK18+268和DK18+253附近區域裂隙密集發育，巖體破碎。依TSP法探測結果初判隧道拱部上方形成坍塌空腔(沿隧道軸線約DK18+294～DK18+290段，縱向高度約6m～7m)。鑒于本段隧道圍巖完整性非常差，巖體破碎呈塊狀鑲嵌結構，開挖后成洞穩定性差，易發生掉塊、坍塌，影響隧道施工安全，施工時務必加強支護，同時做好防排水。3)DK18+250～DK18+210段:長度約40m，本段圍巖部分區段強度仍較低，完整性較前段增強，但局部伴生的中、小型節理仍較發育。約DK18+250～DK18+230段節理較發育，注意約DK18+249，DK18+240以及DK18+234附近較破碎。DK18+226～DK18+210段圍巖強度增大，但DK18+220， DK18 + 216 以 及 DK18 + 211附近節理有發育，圍巖稍破碎。本段隧道圍巖整體性及強度較前段增強，但局部節理仍較發育，圍巖稍破碎，易發生掉塊，提請施工至上述問題區域時，注意加大支護力度。

4 TSP施工

4.1 施工要點

1)在進行超前地質預報測時，相關人員應詳細掌握作業區的地質情況資料以及超前鉆探的相關資料規程后方能進入作業區，確定本次超前地質預報的地質情況以及目的;2)進入作業區，技術人員應對將要觀測的地質情況進行仔細的研究，同時還應結合現場實際情況，對TSP超前預報探測系統進行現場測試的位置進行確定;3)按照探測鉆孔布置方案進行超前地質預報探測鉆孔的布置。布置如下:本次測試中總共在隧道側壁上布置了爆破探測孔24個，爆破測試孔深度為1.5m且垂直于隧道壁，爆破測試孔直徑為40mm～42mm，向下傾斜10°;4)布置接收器鉆孔(2個):在與爆破探測孔同側隧道壁，同高的延長線上，距離最外一個爆破探測孔(第24號孔)15m～20m處，布置1個接收器鉆孔(第25號孔)，同時在25號孔的對側隧道壁再布置1個接收器鉆孔(第26號孔)，接收器鉆孔垂直于隧道壁，深2.0m(切勿超過2m)，向下傾斜10°，用直徑50mm鉆制;5)超前地質預報測試炸藥與雷管的選擇。

4.2 現場測試要點

1)在對TSP超前預報探測系統進行布置和操作時必須按照使用說明書進行，同時還要進行調試，確保系統的正常穩定運行;2)TSP超前預報探測系統工作時，隧道內必須停止施工，確保周圍環境的安靜，以免影響探測結果;3)在1號爆破測試孔中裝好炸藥和電雷管，同時應注水將其密封，所有人員應撤離至安全區;4)引爆炸藥，TSP超前預報探測系統將收集相關數據;5)所有的測試孔重復上面兩步，若引爆不成功，應重新測試;6)待測試全部完成后，整理好設備，才能恢復施工。

4.3 現場檢測要點

1)TSP法現場檢測時間約1h，地質雷達探測現場檢測時間約0.5h，紅外探測法現場檢測時間約0.5h;2)現場檢測時，為確保檢測工作的進度及質量，各工區應安排2名～3名工作人員配合檢測工作;3)檢測作業過程中，現場施工作業應暫時停止，鉆機、沖擊鉆等設備停止工作，并撤離工作面，確保檢測工作不受干擾，保障檢測數據的準確性及完整性。

5 結語

超前地質預報是信息化施工的要求，信息化施工要求施工過程中獲得施工影響信息，根據獲得的信息調整施工與設計，保證工程與施工安全。

[1]周 勇.超前地質預報(地質雷達)在城市隧道施工中的應用[J].工程勘察，2009，(S2):511-514.

[2]曹延海.地質雷達在西山隧道超前地質預報中的應用[J].山西建筑，2011，37(24):161-162.

[3]韓曉雷，葉逢春.地質雷達在公路隧道超前地質預報中方法探討[J].西部探礦工程，2009(6):152-157.