超前地質預報方法及其應用

周相識

(湖南路橋建設集團有限責任公司， 湖南 長沙 411004)

超前地質預報方法及其應用

周相識

(湖南路橋建設集團有限責任公司， 湖南 長沙 411004)

山嶺隧道地質條件復雜，當遇到不良地質條件如溶洞、斷層、巖溶水時常常發生突水突泥、塌方等地質災害問題。為防止該類事故的發生，開挖前必須對隧道前方的地質情況有所了解。通過隧道超前地質預報技術手段，將各種預報方法在實際工程中加以應用，得到的預報結果表明，各探測方法的相互印證體現了綜合預報的重要性及準確性，證明在隧道施工過程中，采用綜合超前地質預報較為行之有效，在復雜地質條件下應推薦采用。

隧道工程；地質雷達；TSP；地質素描；超前鉆孔

隨著山嶺隧道的高速發展，隧道超前地質預報已成為長大隧道必不可少的技術環節，它主要是探測隧道掌子面前方圍巖的級別、地質狀況，根據地質狀態和圍巖級別適時調整開挖工法和支護措施，以保證隧道施工安全。隧道超前地質預報的內容主要有：斷層構造及斷層破碎帶，巖溶、空洞、裂隙及其規模和充填情況，地下水的賦存狀態及可能突水、涌水的位置以及水量的大小和軟弱圍巖及不同類別圍巖的界面等[1￣9]。現有隧道超前地質預報的手段主要有：地質素描、地質雷達、超前鉆孔、TSP系統、炮孔加深等。

1 超前地質預報方法

超前地質預報的主要工藝流程見圖1。

圖1 綜合超前地質預報工藝流程

1.1 長距離超前地質預報

長距離地質預報主要采用TSP儀器進行探測[10]。TSP203預測預報系統是長距離地質預報較常采用的一種技術手段，它能測試前方100 m內的斷層破碎帶、寬大節理密集帶、噴出巖接觸帶及地下水變化情況等。進行TSP超前預報時應連續不少于2次探測，每次探測應搭接10 m。TSP203預測預報系統主要工藝流程為：

(1) 隧道邊墻鉆孔形成有規則排列的人工鉆孔，通過爆破手段產生輕微震源，發射地震波。

(2) 采集震源的反射波數據，分析反射波的傳播速度、波長、強度等信息推測前方斷層、巖溶水等相關不良地質體性質。

(3) 制作地質體反射能量的影視圖。

(4) 整理采集的數據質料并進行破譯，對隧道掌子面前方的不良地質體性質、位置和規模等加以預測。

1.2 短距離超前地質預報

短距離超前地質預報主要包括地質素描、地質雷達、超前鉆孔等方法，它是對長距離超前地質預報的補充，是在前者的基礎上進行的預測手段。

1.2.1 地質素描

地質素描是確保對前方地質的預報準確度的手段之一，主要包括地質內容(巖性特征，地層時代及產狀，節理、斷層的性質、產狀，地下水，開挖工作面的穩定狀態，圍巖類型等)和開挖后已支護段情況，包括：初期支護完成后對噴層表面的觀察，以及裂縫狀況的描述與記錄；有無錨桿被拉壞或墊板陷入圍巖內部的現象；噴混凝土是否產生裂隙或剝離，噴混凝土是否發生剪切破壞；鋼拱架有無被壓曲現象；有無底鼓現象等。

1.2.2 地質雷達

地質雷達是近年來興起的一種超前地質預測方法，以其分辨率高等特點被廣泛采用。通過對波普進行分析，地質雷達能探測出掌子面前方的地層變化，對于斷層破碎帶尤其是含水帶有較高的預測能力。對于多巖溶、區域水豐富的隧道，地質雷達是一個較為理想的預報手段。在長距離超前地質預報探測出的復雜地段及異常地段，通常都應采用地質雷達作為補充，以確定異常地段的具體位置、大小、類型、巖性等。

探地雷達法以電磁波傳播理論為基礎，以目標體與周圍介質的介電性質差異為前提，通過發射高頻電磁波(中心頻率為數十MHz到千MHz)，以寬帶短脈沖形式在掌子面上由發射天線T送入前方，經目標體界面反射回來，由接收天線R接收(見圖2)；電磁波信號在介質中傳播，遇到介電性質不同的分界面就會產生反射、色散和衰減等現象，發射和接收天線在測線上按一定的間距同步移動，獲得該測線的雷達探測圖像，根據反射信號的時間、相位、頻率、幅度及波形等特征來分析和推斷介質性質與界面位置。

探地雷達屬于反射波探測法，其基本原理與對空雷達相似，根據掌子面反射與目標反射的時間差Δt，即可計算出該目標的埋藏深度L。不同介質具有不同的介質常數，差異越大，反射信號越強。探測結果采用偽彩色圖像或堆積波形方式顯示，通過對接收信號實施適當的處理，壓制干擾、突出有效信號，獲得清晰可辨的雷達圖像，在此基礎上識別異常，進行地質解釋。

圖2 雷達探測原理示意圖

1.1.3 超前鉆孔

超前鉆孔是最直觀的一種預測方法，主要是通過鉆取掌子面前方巖芯進行觀察及相關力學性能測試來預判前方地質情況，是對其他預報成果的補充與驗證。它能最直觀地觀測掌子面前方的地質特征，準確率很高。通常在地質預報段鉆取3孔，遇到異常段時則鉆取5孔，孔深在6～8 m。主要有不取芯鉆探和取芯鉆探兩種方式。

不取芯鉆探主要是通過改變鉆機力道，觀察回水顏色及巖屑等變化情況，及時記錄相關鉆進參數，如時間、鉆進速率等，并據此推測掌子面前方的溶洞、泥槽、涌水、流沙等不良地質現象。它的主要優點是探測時間短、費用相對較低，較適合隧道前方有地下水層的地質情況，可達到同時探測并排水的效果。但由于無法得到完整的巖芯，故存在較大的不確定性因素，常因坍孔而無法得到準確的前方水資料。

取芯鉆探通過鉆機鉆取完整巖芯，通過判別巖芯直接獲取地質資料，從而對掌子面前方巖體做出正確的地質判別。同時通過對鉆取的巖芯進行物理力學實驗，可準確獲取巖體相關力學參數，為設計施工的參數調整提供依據。取芯鉆探完成后的孔洞還能為高壓富水隧道提供排水通道，可利用該空洞進行排水降壓。但取芯鉆探施工時間長，且鉆探時掌子面無法進行其他施工作業，消耗的時間、費用都較不取芯鉆探大。

2 工程應用

某山嶺隧道正線全長6216 m，隧道起訖里程為DK37+35～DK43+569。根據本標段地質情況及隧道工程巖性和地質構造，圍巖等級主要分布有Ⅱ級(4115 m)、Ⅲ級(220 m)、Ⅳ級(260 m)、Ⅴ級(277.55 m)4個級別，隧道洞口主要存在全風化砂土、云母石英片破碎層節理發育區等不良地質現象，構造帶易發生透水、涌泥等災害。本段主要為中低山區及丘陵區，主要為變質巖、沉積巖和侵入巖；其中侵入巖及硅質巖為硬巖，其它一般為軟巖及極軟巖。

為查明該隧道已挖工作面前方的巖層構造特征和水文地質特征，減少因地質災害或支護不當而導致大塌方帶來的損失，采取長距離預報為主，輔以短距離預報驗證的綜合超前地質預報方法進行超前地質分析，以保證隧道施工安全。其中長距離預報方法主要采用TSP203plus進行探測，短距離預報方法主要以地質素描、加深炮孔和地質雷達進行探測。

2.1 TSP203plus預報成果

在工程技術人員的配合下完成了DK40+749掌子面的超前探測。本次TSP探測掌子面里程樁號為DK40+749，共布置22個有效炮孔，接收孔與最近炮孔距離約20 m。采集的數據經過濾波、初至拾取、炮能量均衡、Q評估以及波場分離(包括反射波提取、縱橫波分離)、速度分析后得到相關波(P、SH、SV)的深度偏移剖面(見圖3)，用TSP203plus探測系統專門處理軟件計算得到相關的巖石力學參數和相關的二維、三維效果圖(見圖4和圖5)。根據預報成果，推測掌子面前方地質情況如下：

(1) DK40+749-DK40+802區段53 m范圍內，縱波波速大體相近，約為5300 m/s左右，縱波與橫波比局部約為1.8，推測該區段圍巖與掌子面圍巖基本類似，為弱風化云母石英片巖，節理裂隙較發育，巖體較破碎，地下水較發育，圍巖自穩能力較差～一般；

(2) DK40+802-DK40+860區段58 m范圍內，縱波波速減小，約為4850 m/s左右，深度偏移圖顯示正負反射均較強，反射界面分布密集，長度較大，多為節理裂隙發育；推測該區段圍巖節理裂隙發育，巖體較破碎，局部層間有夾泥，地下水不發育，圍巖自穩能力較差；

(3) DK40+860-DK40+876區段16 m范圍內，縱波波速迅速增加，約為5600 m/s左右，反射界面較少，長度較大；推測該區段圍巖節理裂隙稍發育，巖體稍破碎，地下水不發育，其中DK40+865附近有大裂隙發育的可能，圍巖自穩能力一般～較好。

(4) DK40+876-DK40+899區段23 m范圍內，縱波波速約為6000 m/s左右，反射界面較少(局部有長反射)，深度偏移圖顯示正負反射均較強，且橫波發射明顯強于縱波發射，結合地質勘察資料，推測該區段圍巖節理裂隙稍發育，巖體稍完整，地下水較發育，圍巖自穩能力一般～較好。

圖3 P波深度偏移剖面

圖4 3D成果圖

圖5 2D成果圖

2.2 掌子面素描

施工過程每進尺10 m進行一次掌子面素描觀察，以斷面DK40+870為例，該掌子面地質描述為：掌子面揭露為弱～強風化灰色二長花崗巖,屬硬巖，巖體較完整，局部巖體較破碎，塊狀結構，結合較差，節理裂隙發育；地下水稍發育(見圖6、圖7 )。無其他不良地質情況。綜上所述，根據鐵路隧道圍巖分級標準，掌子面圍巖可建議為Ⅲ級，驗證了TSP超前地質預報的準確性。

圖6 掌子面照片

圖7 掌子面結構面素描

2.3 加深炮孔分析

加深炮孔探測法共水平施鉆3個孔，深度約為6 m，3個鉆孔全部布置在上臺階，孔1與孔3分別上臺階掌子面左、右側，距離輪廓線約0.2～0.5 m，距離拱頂約1.5 m處；孔2位于拱頂正下方，距離拱頂0.2～0.5 m處。具體鉆孔位置見圖8。以DK40+833斷面加深炮孔探測法為例，各鉆孔鉆進過程具體描敘如下：

(1) 1#鉆孔：鉆進時鉆速均勻，鉆速較快，無卡鉆、跳鉆現象，沖洗液顏色為灰白色，鉆孔后無滲水現象；

(2) 2#鉆孔：鉆進時鉆速不均勻，鉆速慢，有卡鉆、跳鉆現象，沖洗液顏色為灰白色，鉆孔后有滲水現象；

(3) 3#鉆孔：鉆進時鉆速均勻，鉆速較快，無卡鉆、跳鉆現象，沖洗液顏色為灰白色，鉆孔后無滲水現象。

結合鉆孔分析，預報里程范圍為DK40+833～DK40+837(即掌子面前方4 m)，預報區段為灰色弱～強風化二長花崗巖，弱～強風化，巖體較完整，局部較破碎；節理裂隙稍發育，地下水稍發育。圍巖自穩能力一般。

圖8 加深炮孔孔位布置

2.4 地質雷達預報成果

地質雷達探測根據探測目標的性質和結構特征，結合以往經驗，選擇100 MHz天線進行探測，探測時，天線沿測線盡可能貼近掌子面均勻移動，確保天線和掌子面的最佳耦合，天線在掌子面上面每移動20.0 cm采集一次數據。以DK40+544斷面為例，探測成果見圖9。根據雷達探測成果，結合地質勘探資料及掌子面地質特征綜合分析，本次探測推斷：

(1) 探測范圍內(DK40+844-DK40+864)圍巖為中風化變質云母石英片巖；

(2) DK0+844-DK40+857段巖石較破碎；

(3) DK40+857-DK40+864段裂隙發育。探測的結果與TSP地質預報結果較為吻合。

圖9 雷達探測采集波形圖

3 結 論

介紹了隧道超前地質預報的幾種常用技術手段：長距離探測的TSP系統及短距離探測方法(地質素描、地質雷達及超前鉆孔)，并將各類方法應用于工程實踐，得到了較好的預報結果。因此在隧道施工過程中，采用綜合超前地質預報較為行之有效，在復雜地質條件下應推薦采用。

[1]張慶松,李術才,孫克國,等.公路隧道超前地質預報應用現狀與技術分析[J].地下空間與工程學報,2008(04):766￣771.

[2]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(06):1090￣1113.

[3]羅利銳,劉志剛,閆怡沖.超前地質預報系統的提出及其發展方向[J].巖土力學,2011(S1):614￣618.

[4]薛翊國,李術才,蘇茂鑫,等.隧道施工期超前地質預報實施方法研究[J].巖土力學,2011(08):2416￣2422.

[5]吳錦超.滬昆高速鐵路貴州段巖溶隧道超前地質預報研究[D].成都：西南交通大學,2013.

[6]聶莉萍,侯俊敏,毛夢蕓,等.基于探地雷達的巷道超前地質預報二維正演模擬[J].礦業研究與開發,2016,36(06):104￣107.

[7]孔繁軍.綜合超前地質預報技術在大水礦山開拓巷道的應用研究[J].現代礦業,2015(03):123￣125.

[8]何 磊,孫家寧,孫祥鑫.地質雷達在井巷掘進超前地質預報中的應用[J].現代礦業,2013(01):78￣80.

[9]姚 亮,王志斌.地質雷達在地下水發育隧道施工中超前探測的應用[J].采礦技術,2013,13(04):131￣132.

[10]Q/CR 9217-2015.鐵路隧道超前地質預報技術規程[S].

2016￣11￣23)

周相識(1983-)，男，湖南岳陽人，工程師，研究方向為橋梁隧道工程，Email：157654937@qq.com。