綜合超前地質預報在壁板坡隧道的應用

王　薇，曾　鵬，肖粵秀，楊新安

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中鐵五局集團第四工程有限責任公司，廣東 韶關512031）

綜合超前地質預報在壁板坡隧道的應用

王薇1，曾鵬2，肖粵秀1，楊新安1

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；2.中鐵五局集團第四工程有限責任公司，廣東 韶關512031）

針對壁板坡隧道存在多種特殊巖土和不良地質，易引發坍塌、突水、軟巖變形等多種地質災害的實際，提出了一種分級式超前地質預報管理機制。綜合采用地質調查法、地震反射法、地質雷達法、紅外探測法和超前水平鉆法的超前地質預報方法，具有地質與物探相結合、長短距離相結合、物性參數互補的特點，能夠比較準確地預報地質條件，減少占用工作面時間，加快施工進度。通過工程實際說明該方法取得較好的預報結果，為該類工程問題提供了有效的技術手段。

復雜地質；特長隧道；超前預報；分級管理；綜合地質預報技術

隨著探測技術與隧道工程技術的發展，采用包括物探在內的多種技術對隧道掘進前方地層與地質（特別是斷層、巖溶等高風險點）進行探測，成為工程中的普遍做法［1-4］。為克服單一預報技術的局限性，有研究者提出了采用綜合超前地質預報的方法。張兵強等［5］運用TSP（地震反射法）、TRT（反射層析成像法）、超前水平鉆等方法對米溪梁隧道的圍巖地質進行綜合預報，有效地預測了F4-6斷層破碎帶。馬懷鵬等［6］以地質分析為核心，采用地質雷達法和瞬變電磁法長短距離相結合、超前水平鉆驗證的方法，確定了斷層的影響范圍及走向。周東等［7］基于“洞內外相結合、綜合參數、長短結合、加密探測”的原則，采用陸地聲吶法、地質雷達法、微分電測法、TEM（瞬變電磁法）相結合的方法預報了斷層的位置、富水情況和充填物性質。

綜合超前預報法采用多種預報技術組合，相互補充，相互驗證，能夠顯著提高預報的準確性和可靠性。但以往工程實踐中，并沒有根據不同的地質條件，相應地采取不同等級的地質預報方法，產生地質條件較好的區段也實行了多種預報方法的情況，造成不必要的資源浪費。本文主要介紹壁板坡隧道的綜合超前地質預報體系，提出實行分級管理的思想，論證地質調查、TSP、地質雷達、紅外探測與超前鉆探相結合的超前地質預報方法的合理性及其預報結果的可靠性。

1　工程概況

壁板坡隧道位于云南與貴州接壤的高原，是滬昆客運專線最長的山嶺隧道，也是全線控制性工程之一。隧道全長14.756 km，最大埋深735 m，全隧施作平行導坑，長度為14.717 km。

隧道穿越地層為石炭系下統大塘組（C1d）～三疊系下統永寧鎮組（T1yn1），巖性以灰巖、白云巖、玄武巖和泥質白云巖為主。隧道洞身介于燕子巖-小竹箐背斜與彌勒-富源大斷裂間的單斜斷塊地層中，多次穿越斷層破碎帶，構造裂隙發育。隧址區巖性屬碳酸鹽類，地下水活躍，具有巖溶發育的條件，且地表局部分布有溶蝕洼地、落水洞、漏斗等巖溶形態，推斷隧道洞身可能穿越巖溶。此外，隧道洞身可能通過石炭系大塘組萬壽山段含煤地層，存在瓦斯的風險。

壁板坡隧道存在斷層破碎帶、巖溶、煤層瓦斯等多種特殊巖土和不良地質，易發生坍塌、突泥涌水、軟巖大變形等地質災害；因此，需要實施綜合超前地質預報，預報工作面前方的圍巖類別并判斷其穩定性，為降低施工風險和制定合理的施工方案提供可靠依據。

2　綜合超前地質預報

壁板坡隧道施工中，在分析既有地質資料的基礎上，采用洞內探測與洞外地質調查相結合、物探方法與鉆探方法相結合、長距離與短距離相結合，開展了多層次、多手段的綜合超前地質預報。

2.1超前地質預報方法

1）地質調查法。地質調查法主要通過地層層序對比、地層分界線及構造線、地下和地表相關性分析、臨近隧道內不良地質體的前兆分析等，利用地質理論、地質作圖等工具，推測開挖工作面前方可能揭示的地質情況。該方法只適用于地質構造不太復雜的地區［8］。

2）地震反射法（TSP）。TSP是利用地震波的反射原理，當地震波遇到巖石波阻抗差異界面時，一部分信號反射回來，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不良地質體的性質、位置及規模。TSP法適用于極軟巖至極硬巖的任何地質情況，對斷層、軟硬巖接觸面等面狀結構較為敏感，單次預報距離一般為100～150 m，屬于長距離預報方法，預報精度一般。

3）地質雷達法（GPR）。地質雷達利用發射天線發射高頻電磁波，當電磁波遇到電性（介電常數、電導率、磁導率）差異界面時就會發生折射和反射現象，接收天線接收并記錄下電磁波信號，進過相應的數據處理，就能推斷前方地質情況［9-10］。地質雷達適宜于巖溶、采空區探測，對水的識別能力較高，探測距離一般在30 m以內，屬于短距離預報，預報精度較高。

4）紅外探測法。物體的小連續性缺陷會對熱傳導性能產生影響，導致物體表面紅外輻射能力發生差異。紅外探測法就是利用這種差異，通過研究紅外輻射異常場的分布規律，推測前方隱伏的斷層、溶洞、地下暗河和淤泥帶。紅外探測法適用于探測前方是否有水及水體存在方位，但無法確定具體位置和方位。每次預報有效探測距離為20～30 m，屬短距離預報法。

5）超前鉆探法。超前鉆探法是在隧道開挖面上，利用水平鉆機對前方圍巖進行鉆探，根據鉆進的時間、進尺、巖芯和鉆孔回水情況等來預測工作面前方圍巖的位置和性質。單次的預報距離一般為30～40 m。超前水平鉆法與物探方法相比是一種直接的方法，能夠直觀地確定開挖面前方的圍巖情況［11］。這種方法簡單可行、快速實用，但對施工干擾較大、成本高。

2.2綜合超前地質預報體系

壁板坡隧道超前預報實行分級管理，由高到低分為A，B，C，D 4個等級，等級越高表明地質條件越差，需要采用的預報方法越多，要求的預報精度也越高，其預報流程如圖1所示。分級管理可在滿足地質預報要求的同時，減少物探、鉆探等預報占用工作面的時間，節省人力物力資源，加快施工進度。

綜合超前地質預報體系中，地質調查法是基礎；TSP法測距長、干擾相對少，但精度不高；地質雷達、紅外探測可準確測定短距離內的空洞和水體情況，可補充TSP的不足；超前鉆探可以直接揭示地下水及圍巖物理力學性能，但干擾大、費用高。

圖1　壁板坡隧道超前地質預報流程圖Fig.1　Flow chart of advance geological forecast in Bibanpo tunnel

3　綜合超前地質預報的應用

針對不同的地質條件和預報精度要求，采用不同的預報方法的組合，以C級預報和A級預報為例說明壁板坡隧道分級式管理的綜合超前地質預報體系。

3.1C級預報

以9#橫通道正洞左線DK982+756～+896段超前地質預報為例，說明壁板坡隧道的C級超前地質預報。

3.1.1地質調查法

根據地質勘探，該段隧道上覆玄武巖夾凝灰質粘土巖，下伏茅口組灰巖，埋深約270 m，具有承壓水，可能存在巖溶等不良地質，需要采取TSP法進行超前地質預報。

3.1.2TSP法

對DK982+755～+896段采取TSP法進行預報，其預報成果圖見圖2。根據圖譯，DK982+756～DK982+792段圍巖較破碎、節理裂隙較發育；DK982+792～DK982+835段圍巖破碎、節理裂隙發育，含水，圍巖穩定性較差；DK982+835～DK982+861段圍巖較破碎、節理裂隙較發育；DK982+861～DK982+896段圍巖較完整～較破碎、節理裂隙較發育，整體性較好。

根據TSP的預報，DK982+756～+896段圍巖條件較好，不存在突水突泥的可能性，不需要采用地質雷達、紅外探測等進一步的探測。

3.1.3實際揭露

如圖3所示，開挖揭示DK982+755～+896段圍巖為弱風化灰巖，巖體較破碎，節理裂隙較發育，巖質堅硬，圍巖無滲水，自穩性較好，與超前地質預報一致。

3.2A級預報

以3#橫通道正洞右線YDK979+150～+190處的超前地質預報為例，說明壁板坡隧道的A級超前地質預報。

3.2.1地質調查法

根據地質勘探，該段穿越二疊系下統梁上組砂巖、泥頁巖夾煤層，可能遇到軟質巖變形問題。工作面YDK979+150位于合分修的分界點，埋深約600 m，工作面巖性以弱風化灰巖為主，節理裂隙較發育，需要采取物探手段進行超前地質預報。

圖2　DK982+756～+896段TSP預報成果圖Fig.2　TSP prediction result of DK982+756～+896

圖3　DK982+890處掌子面圍巖Fig.3　Rock of tunnel face at DK982+890

3.2.2TSP法

對YDK979+150～+260段采取TSP法進行預報，其預報成果圖見圖4。根據圖譯，YDK979+150～+182段圍巖破碎、裂隙較發育、巖溶弱發育；YDK979+182～+226段圍巖破碎～極破碎、裂隙局部強烈發育，圍巖穩定性差，局部夾層，巖溶中等發育，富水；YDK979+226～+260段圍巖較破碎～破碎，巖溶弱～中等發育，含水，圍巖穩定性較差。

3.2.3地質雷達法

對YDK979+160～+190段采用地質雷達進行地質預報，雷達電磁波反射振幅強烈，頻率低，推測該段圍巖破碎、裂隙發育、穩定性差，易坍塌或掉塊，與TSP預報的結果一致。

3.2.4紅外探測法

對YDK979+150～+190段實施紅外探測，紅外探測曲線圖如圖5所示，紅外輻射長強值沿隧道走向有上升趨勢，且工作面上紅外輻射場強最大差值為6 μW·cm-2，推測工作面前方圍巖含水。

3.2.5超前水平鉆法

根據TSP、地質雷達和紅外探測的預報，YDK979+150～+190段圍巖破碎、裂隙發育、巖溶弱發育且含水，施工前采用超前水平鉆進一步驗證，其鉆孔情況如表1所示，該段圍巖巖質軟弱，為灰巖，少量滲水。

圖4　YDK979+150～+260段TSP預報成果圖Fig.4　TSP prediction result of YDK979+150～+260

圖5　YDK979+150～+190段紅外強度曲線圖Fig.5　Infrared intensity curve of YDK979+150～+190

表1　YDK979+150～+190段超前水平鉆鉆孔情況Tab.1　Advance boreholes situation of YDK979+150～+190

3.2.6實際揭露

實際開挖時，發現YDK979+150～+190段巖性為中～厚層狀灰巖，圍巖較破碎，裂隙較發育，圍巖含水，與超前地質預報一致。在YDK979+194拱頂偏左處揭示一溶洞，見圖6，環向寬約3 m，縱向長約2 m，向上2 m后分為2個小的溶洞，且有少量水流出，水質渾濁。對該溶洞的出水量進行觀測，見圖7，出水量隨時間先增加后減小，直至為0，最大流量為170 m3·d-1。

圖6　YDK979+194處溶洞Fig.6　Karst cave at YDK979+194

圖7　YDK979+194處溶洞出水量Fig.7　Water flow of karst cave at YDK979+194

4　結論

1）針對復雜多變的地質情況，壁板坡隧道實行了以地質調查法為基礎，結合TSP法、GPR法、紅外探測法和超前水平鉆法的綜合超前地質預報，具有地質與物探相結合、長短距離相結合、物性參數互補的特點。

2）提出隧道超前地質預報的分級管理并在壁板坡隧道進行了應用，針對不同的地質條件，實行不同的預報方法組合，由D級到A級，層層遞進。分級式超前地質預報管理方法是對綜合超前地質預報的改進，能夠減少物探和鉆探占用工作面的時間，節省人力物力資源，加快施工進度。

3）地質雷達及紅外探測能預報富水情況，但僅限于有無含水體的定性預報，缺乏定量的參數，如位置、方位角、含水量大小等。為彌補該方面的缺陷，可考慮采用瞬變電磁等定量的預報技術。

［1］李為騰，李術才，薛翊國，等.地質雷達在膠州灣海底隧道F4-5含水斷層超前預報中的應用［J］.山東大學學報：工學版，2009，39（4）：65-68.

［2］王延壽，謝婉麗，葛瑞華，等.TSP超前預報法在秦安高風險隧道中的應用［J］.科學技術與工程，2014，14（34）：97-103.

［3］馬若飛.青島膠州灣海底隧道TSP203+超前預報應用探討［J］.鐵道標準設計，2015，59（1）：91-95.

［4］劉欽，李術才，陳翼.紅外探測技術在龍潭隧道F2斷層段超前預報中的應用［J］.工程勘察，2015（4）：95-98.

［5］張兵強，桂剛，韓玉濤，等.米溪梁隧道特殊地質環境下綜合超前預報研究［J］.西安科技大學學報，2012，32（3）：331-336.

［6］馬懷鵬，陳建祥，唐連權.綜合法超前地質預報在天成山隧道中的應用［J］.現代交通技術，2104，11（2）：41-44.

［7］周東，劉宗輝，吳恒，等.綜合超前地質預報技術在嶺腳隧道的應用研究［J］.現代隧道技術，2015，52（5）：171-177.

［8］李術才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢［J］.巖石力學與工程學報，2014，33（6）：1090-1113.

［9］陸禮訓，鄧世坤，冉彌.探底雷達在隧道施工超前探測中的應用［J］.工程地球物理學報，2010，7（2）：201-206

［10］耿大新，李洪梅，郭俊，等.地質雷達檢測隧道襯砌常見病害模型實驗研究［J］.華東交通大學學報，2014，31（6）：7-12.

［11］張成良，劉磊，王國華.隧道現場超前地質預報及工程應用［M］.北京：冶金工業出版社，2013：102-104.

（責任編輯劉棉玲）

Application of Comprehensive Advanced Geological Forecast in Bibanpo Tunnel

Wang Wei1，Zeng Peng2，Xiao Yuexiu1，Yang Xin’an1
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.The Fourth Company of China Railway NO.5 Engineering Group Co.，LTD.，Shaoguan 512031，China）

In view of the fact that there are many kinds of special rocks and bad geologies in the Bibanpo tunnel，which can easily cause geological disasters like collapse，water inrush，soft rock deformation，this study proposes a hierarchical management mechanism of geological prediction.The comprehensive advanced geological prediction by combining geological analysis，tunnel seismic prediction，ground penetrating radar，infrared detection with advance boreholes has such characteristics as the integration of geology and physical detection，the combination of long and short distance，and the complementarity of physical parameters，which can forecast the geological conditions accurately，reduce the occupation time and speed up the construction progress.The engineering practices show that the method has achieved good results and provided effective technical means for the same engineering problems.

complex geology；long tunnel；advanced forecast；hierarchical management；comprehensive geological prediction technique

U25

A

1005-0523（2016）04-0018-06

2016-03-17

王薇（1992—），女，碩士研究生，研究方向為隧道及地下工程。

楊新安（1964—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為隧道工程，城市地下工程。