曲譚山隧道超前地質預報方法

鄭極新

福州大學土木工程學院（350108）

曲譚山隧道超前地質預報方法

鄭極新

福州大學土木工程學院（350108）

根據福建省漳州至永安高速公路龍巖段曲譚山隧道超前地質預報采用的兩種不同的物探方法，結合采集到的數據及圖像進行分析，得出較為可靠的預報結果，用來引導施工。

隧道；地質預報；TGP

1 曲譚山隧道工程概況及地質條件

曲譚山隧道系福建省漳州至永安高速公路龍巖段中的重要性工程之一。隧道采用分離式雙洞布置，左洞長919 m，右洞長932 m，隧道凈寬10.25 m，凈高5 m。隧址區屬剝蝕丘陵地貌，隧道進出口段巖性為坡積土，碎塊狀強風化泥質粉砂巖，局部夾鈣質粉砂巖；洞身段圍巖為薄-厚層微風化泥質粉砂巖與鈣質粉砂巖互通，為較軟-較硬巖。隧址區處在4條節理裂隙密集帶，但未見泥石流、采空區、巖溶、活動性斷裂等不良地質作用。隧道最大埋深約145 m，進口端橫斷面左低右高，存在偏壓；出口端坡向與洞軸線基本一致，無偏壓。地下水主要為進、出口段坡積土層、風化巖層的孔隙裂隙水及洞身基巖裂隙水，水量較貧乏，雨季施工時水量較豐富。

2 隧道超前地質預報的目的及意義

超前地質預報是工程勘察工作的延續，是保證隧道施工安全、優化設計、實現施工信息化的重要基礎。根據隧道開挖揭示的洞身圍巖條件的變化趨勢和采用各種地球物理探測手段對隧道施工掌子面前方地質情況的探測結果,結合洞內外地質調查、掌子面素描結果和預報人員地質經驗，對隧道前方可能遇到的不良地質體及由此可能引發的地質災害的性質、分布位置、規模的預測，采取適當的技術手段，對隧道開挖前方地質構造等進行準確探測。

3 隧道超前地質預報的方法

3.1 工程地質分析法

工程地質分析法包括掌子面地質素描調查和地表地質補充勘察兩種方法。地質素描主要是對隧道掌子面的地層巖性，地質構造，結構面產狀，地下水出露點位置及出水狀態、出水量如實而準確的記錄，是超前地質預報的基本依據和判斷圍巖類別的最直接的資料，也是用以推斷掌子面進深方向圍巖狀況的主要參照物和地質狀況的邊界條件。

3.2 電磁波反射法

電磁波反射法是利用高頻脈沖電磁波探測地下介質分布的一種地球物理探測技術。通過地質雷達的發射天線向隧道前方擬測地層定向發射高頻脈沖電磁波，電磁波在傳播途中遇到物性不同的介質界面或目標體(如節理、裂隙、斷層、地下水等)即發生反射和透射。反射波信號由接收天線接收后,直接傳輸到接收機，在接收機經過疊加、濾波、整形和放大等處理后，經電纜傳輸到雷達主機,經過信號處理就可用來判斷地下目標的深度、大小和方位等特性參數。

3.3 地震波反射法

地震波反射法的原理是地震波在巖體傳播過程中，在聲阻抗界面會產生地震反射波，利用儀器設備采集隧道巖體中地震波傳播的信息，通過專業處理系統提取回波的界面位置、空間分布、回波極性和回波能量等信息，并結合隧道地質勘察資料綜合分析,實現對隧道前方地質情況的預測，達到地質超前預報的目的。

4 曲譚山隧道掌子面ZK118+018斷面的超前地質預報

以曲譚山隧道左線進口掌子面樁號ZK118+ 018為例，采用地質分析結合電磁波反射法和地震波反射法兩種物探方法，對相同預報段進行分析比較，得出較為可靠的預報結果。

電磁波探測法選用瑞典MALA地球科學公司生產的RAMAC CUII型探地雷達（GRP）。探測時使用發射頻率為100 MHz的屏蔽天線，樣點數設為1 265，時窗為1 100 ns，采樣頻率1 100 MHz，以點測方式采集數據。

地震波反射法采用TGP206A地質超前預報系統。激發孔選擇在構造界面與隧道夾角小的一側洞壁，離掌子面5米，高度1.2米，以2米間距連續布置24個；之后退30米在隧道左右洞壁的相同里程各布置一個接收孔。炸藥激震的同步信號采取開路觸發方式，接收探頭采用定向工具安裝和采用黃油直接耦合鉆孔壁。

4.1 曲譚山隧道掌子面ZK118+018斷面地質條件分析

曲譚山隧道掌子面ZK118+018地質出露的情況為黃褐色的微～弱風化泥質粉砂巖，節理、裂隙發育，散體結構，巖質軟，有個別掉塊情況；錘擊聲啞，無回彈；掌子面潮濕。

4.2 曲譚山隧道掌子面ZK118+018斷面超前地質預報分析

曲譚山隧道掌子面ZK118+018斷面采用電磁波探測法（GPR）采集的地質雷達波圖像如圖1所示。采用地震波探測法（TGP）采集到的同側波形三分量記錄圖、同側波繞射圖和預測波速及見面圖如圖2、圖3和圖4所示。兩種方法的預報分析表如表1所示。

圖1 經濾波處理后的雷達波形圖

圖2 TGP地震波同側波形三分量記錄圖

圖3 TGP地震波同側波繞射圖

圖4 TGP地震波預測波速及界面圖

5 結論

1）電磁波探測法探測的有效距離為30 m，實際情況根據雷達的探測能力略有波動；在有效范圍內探測的預報結論與實際地質情況較吻合。

2）地震波探測法探測的有效距離為100～150 m,預報距離長，時間短，且對施工的干擾較小，推斷出前方的斷層和巖石破碎帶等不良地質體的位置、規模、產狀和巖石動力參數也較準確。

3）結合電磁波探測法和地震波探測法的預報結果，推斷出曲譚山隧道掌子面ZK118+018斷面前方圍巖以微、弱風化泥質粉砂巖為主，節理、裂隙發育，散體結構為主，且巖質大部較軟，圍巖級別為Ⅴ級。在前方30 m的范圍內，有相對軟弱破碎帶或節理密集蝕變帶存在，含一定量的地下水。

4）超前地質預報屬于物探方法，但物探方法的應用受到環境及經驗的影響，準確解譯物探資料具有一定的技術難度，一方面要求預報人員具有豐富的解譯經驗，另一方面要求預報人員具有豐富的地質實踐經驗。

表1 曲譚山隧道ZK118+018掌子面采用不同超前地質預報方法分析表

[1]JJ 7-2007,城市工程地球物理探測規范[S].北京:中華人名共和國建設部,2007.

[2]吳從師，陽軍生.隧道施工監控量測與超前地質預報[M].北京:人民交通出版社,2012.

[3]葉英.隧道施工超前地質預報[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[4]姚姚.地震波場與地震勘探[M].北京:地質出版社,2006.

[5]楊峰,彭蘇萍.地質雷達探測原理與方法研究[M].北京:科學出版社,2010.

圖3 “回”形降溫管平面示意

4 結論

大體積混凝土結構的施工技術與措施直接關系到混凝土結構的使用性能，若不能很好地了解大體積混凝土結構開裂的原因，掌握應對此類問題所采取的相應施工措施，那么實際生產當中就很難保證施工質量。在大體積混凝土施工中，只要在選材、配合比、拌制、振搗及養護等各施工環節中細化管理，環環把好質量關，就一定能避免大體積混凝土施工中遇到的各種裂縫，確保工程質量。