超前地質預報在隧道圍巖動態分級預測中的應用

榮 耀，孫 斌，孫 洋

(1.江西省交通科學研究院，江西 南昌 330052；2.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

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超前地質預報在隧道圍巖動態分級預測中的應用

榮 耀1，孫 斌2，孫 洋1

(1.江西省交通科學研究院，江西 南昌 330052；2.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

隧道的圍巖等級直接影響到施工的開挖方法、支護結構的確定以及隧道的施工安全等諸多方面。在目前的隧道工程中，準確地預測前方圍巖的等級仍然是一個重點和難點。以長橋隧道工程為實例，先后采用TGP探測法、SIR-20地質雷達探測法、掌子面編錄法3種超前地質預報方法，由遠到近，由粗到細地對隧道圍巖的等級進行動態預測。實際開挖結果表明：該動態預測方法具有較高的準確性，可以有效地指導隧道安全施工。

隧道工程；超前地質預報；公路隧道；圍巖動態分級

一方面，在隧道工程中，通過對工程地質狀況進行客觀評價，預測隧道圍巖分級，是判斷隧道圍巖穩定性，合理擬定支護參數，正確選用施工方法及工具，預估施工造價的重要依據；另一方面，由于工程地質條件復雜多變，現有的地質勘察技術往往不能準確地預測掌子面前方的圍巖等級，導致施工浪費或工程事故時有發生[1]。筆者以長橋隧道為依托工程，以公路隧道BQ分級法為基礎，以超前地質預報為優化手段由粗到細地對隧道圍巖進行動態分級預測，取得了良好的效果，為指導隧道安全施工提供了依據。

1 隧道圍巖動態分析方法

1.1 隧道圍巖動態分級預測方法

在隧道施工過程中首先使用TGP探測法對掌子面前方150 m左右的軟弱結構面產狀、地下水分布及含量、應力分布等情況做出粗略預測。在此基礎上通過SIR-20地質雷達探測進行細化分析。最后，利用掌子面編錄法獲取實際圍巖參數進行修正。以上3步所得結果可作為BQ分級法的參考依據之一，建立動態分級預測體系。對隧道圍巖進行詳細分級，更加合理地指導支護參數及施工方法的選擇，保證隧道施工安全順利地進行。

1.2 隧道圍巖動態分級預測方法的研究背景和意義

受勘察方法和技術的限制，目前勘察設計階段的圍巖分級并不能很好地滿足工程的需求，導致預測的圍巖分級與實際圍巖等級有較大的差異。對工程的主要影響是：① 當預測分級比實際圍巖等級低時，實際圍巖質量偏高，按預測等級進行支護施工，造成不必要的浪費并拖緩施工進度；② 當預測分級比實際圍巖等級高時，實際圍巖質量偏弱，按預測等級進行支護施工，支護強度不能達到實際需求，形成安全隱患，可能造成人員傷亡和財產損失，影響施工進度。建立隧道圍巖動態分級預測體系，可以準確地預測掌子面前方隧道圍巖等級，為支護參數和施工方法的選擇提供可靠依據，保障隧道施工順利進行[2]。

1.3 公路隧道BQ分級法

BQ分級法是1990年國家標準《工程巖體分級標準》中提出的二級分級法。首先以巖體的基本質量指標BQ為依據對巖體進行初步分級，然后根據不同因素的影響對BQ值進行修正[3]，最后得到詳細的圍巖分級。巖體的基本質量指標BQ值由巖石飽和單軸抗壓強度RC和巖石完整性系數KV決定，具體公式為式(1)：

BQ=90+3RC+250KV

(1)

式中：巖石飽和單軸抗壓強度RC可通過試驗確定；巖石完整性系數KV則可根據巖體的縱波波速vmp和巖塊的縱波波速vrp來確定：

(2)

然后，應用式(3)對BQ值進行修正：

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(3)

式中：[BQ] 為圍巖基本質量指標修正值；K1為地下水影響修正系數；K2為軟弱結構面產狀影響修正系數；K3為初始應力狀態影響修正系數。K1、K2、K3的確定值參考表1～表3；文中地下水分布、軟弱結構面和初始應力狀態信息通過掌子面編錄法、地質雷達探測法和TGP探測法收集。

表1 地下水影響修正系數Table 1 Groundwater influencing correction coefficient

表2 軟弱結構面產狀影響修正系數Table 2 Weak structural plane influencing correction coefficient

表3 初始應力狀態影響修正系數Table 3 Initial stress state influencing correction coefficient

最后，根據得到修正后的[BQ] 值，根據表4劃分圍巖等級。

表4 圍巖基本質量分級Table 4 Basic quality classification of surrounding rock

1.4 TGP探測法

TGP探測法基于地震波反射原理，在隧洞內人工制造一系列規則排列的輕微震源，震源產生的地震波信號沿隧道軸線以球面波的形式傳播，遇到地層界面、節理面、不良地質界面時，一部分信號地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射信號由地震檢波器接收形成地震記錄，通過計算機處理后，可得到各種圍巖構造界面與隧道軸線所呈現的角度、與掌子面距離等信息，預測前方圍巖的物理力學參數，判斷掌子面前方150 m左右的圍巖情況[4]。

1.5 地質雷達探測法

地質雷達的基本原理是向地下或掌子面前方發射高頻電磁波脈沖，電磁波在地下介質傳播的過程中，遇到與周圍巖土體存在電性差異的地下目標體(如空洞、斷層、破碎帶)時，便會發生反射，反射回的電磁波通過接收天線接收，對接收到的信號波形、強度、雙程走時等參數進行處理和分析，推斷地下或掌子面前方30 m左右的圍巖情況[5]，其工作原理如圖1。

圖1 地質雷達工作基本原理Fig. 1 Basic principle of geological radar

1.6 掌子面編錄預測法

掌子面編錄預測法又稱地質素描預測法，具體還包括巖層層位預測法和地質體延伸預測法兩種工程地質方法。通過洞內地質編錄和地質調查并進行資料分析，了解隧道所處巖層的地質年代和巖層層位分布，參考地質學相關理論及經驗公式，借助計算機模擬等方法，推斷掌子面前方工程地質情況，預測預報不良地質體在掌子面前方延伸和消失的位置，對隧道掌子面前方的巖體情況做出較準確的預報，為圍巖分級和后續施工工藝提供科學依據[6]，掌子面編錄預測法流程如圖2。

圖2 掌子面編錄預測法流程Fig. 2 The process of geological logging prediction method

2 工程應用實例

2.1 長橋隧道工程概況

長橋隧道位于江西省撫州市廣昌縣境內，是一座上下行分離的四車道高速公路中隧道，起訖里程樁號為：左洞ZK14+520～ZK15+515，長995 m，右洞YK14+550～YK15+470，長920 m，左右洞相距約25 m，隧道洞軸線為東西走向，前期的地質勘探資料表明該區域多為中風化花崗巖，隧道設計路面標高(黃海高程系統)左洞為275.837(隧道進口)～252.595(隧道出口)m，右洞為275.544(隧道進口)～253.72(隧道出口)m，隧道左右均線位于R=2 500的曲線內。左右隧道縱斷面線型均為單向坡：-2.5%。

2.2 超前地質預報在長橋隧道圍巖分級預測中的應用

2.2.1 TGP探測法

在長橋隧道施工過程中，采用TGP探測法對掌子面YK14+780進行超前地質預報，通過現場試驗和處理后的圖譜數據進行分析，判斷掌子面前方120 m范圍內的圍巖情況。

圖3 TGP探測圖譜Fig. 3 TGP detection spectrum

對TGP探測圖譜(圖3)的解釋：由反射界面的俯視圖和側視圖可見，在YK14+780～YK14+730段，反射界面較多，說明該段的圍巖結構破碎，巖層變化較為頻繁，巖層中節理的傾角位置多而散亂，表現為該段的圖譜中，方形黑點的不規則分布，進一步體現出了該段圍巖結構較為破碎且不良地質體并不連續的特點；在YK14+730～YK14+660段，反射界面較前一段大為減少，圍巖的完整性得到稍許提高，但比速度表明，前方圍巖的質量并沒有大幅改善。

結合TGP探測所得圖譜、工程現場實況和前期地質勘察資料，預測所探區域內各段圍巖巖體的情況是，分段結論見表5：

1) YK14+780～ YK14+759，圍巖主要為變余砂巖，中風化，縱波振幅較小，繞射偏移明顯，推測該范圍內巖體為中風化，局部節理、裂隙較發育，圍巖局部較破碎，結合程度一般，圍巖整體穩定性較差，判斷圍巖等級為Ⅳ級。

2) YK14+759～ YK14+710，變余砂巖為主，中風化～強風化，局部存在小型裂隙，有泥質或地下水充填；YK14+759～ YK14+754易失穩，節理裂隙發育，自穩能力差，判斷圍巖等級為Ⅴ級。

3) YK14+710～ YK14+660，強風化變余砂巖為主，節理、裂隙發育，圍巖較破碎～破碎，局部巖體結合程度差，圍巖整體穩定性差，判斷圍巖等級Ⅳ級偏差，部分里程段為Ⅴ級。

表5 TGP探測法圍巖分級預測結論Table 5 Prediction results of surrounding rock classified by TGP detection

2.2.2 地質雷達探測法

在隧道開挖過程中，使用SIR-20型地質雷達進行超前地質預報，此次預報探測里程段為YK14+780～YK14+750，掌子面樁號是YK14+780，經過數據處理后的地質雷達圖譜如圖4。

圖4 YK14+780～YK14+750段地質雷達圖像Fig. 4 Geological radar image of YK14+780～YK14+750 section

在本次探測的30 m區域內，有3處明顯的雷達反射異常信號，其中，距離掌子面0～5 m范圍是因爆破造成的圍巖松動，5～15 m范圍內反射較為平穩，說明巖層較為均一，巖石性質與掌子面相差不大，判定圍巖等級Ⅳ級；掌子面前方15～21 m，即YK14+765～YK14+759段，反射波較紊亂，同相軸連續性較差，推斷該范圍內節理、裂隙等結構面發育，主要不良地質體為破碎帶，穩定性差，預計圍巖為Ⅴ級；YK14+755～14+750處存在小范圍反射異常，考慮為巖層變化界面或小型裂隙帶，分段結論見表6。

2.2.3 掌子面編錄法

2015年11月19日，隧道掘進至掌子面YK14+780處(圖5)，通過現場觀察，掌子面揭露圍巖為灰色中～強風化變余砂巖，變余砂狀結構，掌子面表層凹凸不平略潮濕，中厚層狀構造，片理清晰，發育一組節理：280°∠53°，節理間距30～80 cm 。整體而言，圍巖破碎，節理裂隙發育，巖體自穩能力差，局部有掉塊現象；根據現場對掌子面的觀察情況，結合該里程段隧道圍巖設計級別和先前開挖的圍巖情況，初步預測YK14+780 ～YK14+760處為Ⅳ～Ⅴ級圍巖。

表6 YK14+780～YK14+750段地質雷達預報結論Table 6 Geological radar forecast conclusion of YK14+780～YK14+750 section

圖5 掌子面YK14+780現場照片Fig. 5 Tunnel face photo of YK14+780

2.3 BQ分級法對圍巖的定性定量分級

2.3.1 相關巖石力學參數的確定

巖石的單軸抗壓強RC為35 MPa，巖體的縱波波速vmp=2 650 m/s，巖塊的縱波波速vrp=3 550 m/s，則由公式KV=(vmp/vrp)2，計算得出巖體完整性系數KV=0.55。

2.3.2 圍巖定性分析結果

1) 掌子面整體較為潮濕，局部有點滴狀出水。

2) 巖石的堅硬程度：敲擊聲較為沉悶，幾乎無回彈，結合試驗所得巖石單軸抗壓強度RC是35 MPa，總體來說巖質較軟。

3) 巖石完整程度，巖體完整性系數KV=0.55，發育一組節理：280°∠53°，節理間距30～80 cm，節理裂隙發育，圍巖自穩能力較差，局部有掉塊現象發生。綜合考慮以上因素，掌子面附近圍巖為Ⅳ級偏差。

2.3.3 圍巖定量分析結果

1) 巖石單軸抗壓強度RC是35 MPa，巖體完整性系數KV=0.55，根據巖體基本質量指標計算公式BQ=90+3RC+250KV，得出巖體基本質量指標BQ=332.5。

2) 考慮到掌子面潮濕，局部有點滴狀出水，根據表1，取地下水影響修正系數K1=0.25；軟弱結構面走向與洞軸線夾角為80°，軟弱結構面傾角為53°，根據表2，取軟弱結構面產狀修正系數K2=0.3；根據表2，取初始應力狀態修正系數K3=0.5，最后，由式(3)計算修正后的巖體基本質量指標值[BQ]=227.5

3) 根據相關規范和[BQ] 值，判定隧道圍巖等級為Ⅴ級。

2.4 圍巖分級預測和預測結果及其實際意義

2.4.1 幾種圍巖分級預測方法預測結果

以長橋隧道YK14+780段為例，分別采用地質雷達探測法、掌子面編錄法和TGP探測法對隧道圍巖等級進行了預測，結果如表7：

表7 不同圍巖分級預測方法預測結果Table 7 Prediction results of different prediction methods for the classification of surrounding rock

以長橋隧道YK14+780段的圍巖分級預測為例，簡要分析各種探測方法所得的結果：

1) 利用TGP探測法，初步探明了掌子面前方120 m左右范圍內的地質概況。根據所得頻譜及合成圖像分析可知，該段內巖體較破碎～破碎，節理裂隙帶發育，結合前期的地質勘察資料和現場實際情況，判定YK14+780 ～YK14+660段圍巖等級為Ⅳ級到Ⅴ級。

2) 根據地質資料和TGP的探測結果，采用地質雷達對YK14+780～ YK14+750段做進一步探測。結果顯示在YK14+765～ YK14+760段，出現低頻強反射波，推斷該地區的裂隙帶較為發育，含水或含泥的可能性大。對TGP探測所得結果進行優化和修正，判斷該段圍巖等級為Ⅴ級。

3) 采用掌子面編錄預測法，現場詳細觀察掌子面巖體特征和物理測量，獲取直接的巖體力學參數。根據相關設計規范和BQ分級法，判定YK14+780～ YK14+760段圍巖等級為Ⅳ級到Ⅴ級(掌子面附近為Ⅳ級)。

開挖后的實際圍巖情況與預報結論十分相近。由此可見，使用TGP探測法、地質雷達探測法和掌子面編錄法對隧道圍巖進行動態分級預測，取長補短，綜合分析，及時修正，可以較準確地預測隧道圍巖等級，推動了信息化施工的進程[7]，并為支護參數的選擇和施工方法的確定提供科學依據，從而保障隧道安全施工。

2.4.2 圍巖動態分級預測的實際意義

在隧道工程中，對不同等級的圍巖應采用的施工工法和支護形式有很大差別，所需的工期和經濟成本也有很大差異。在長橋隧道圍巖分級預測中，以總長10 m的YK14+760～ YK14+750段為例做簡要總結。在經濟成本的估算中，只考慮人工及耗材費用，材料由施工方自行采購，對比情況見表8。

表8 設計和實際圍巖分級情況施工對比Table 8 Construction comparison of the designed and the actual surrounding rock classification

對V2級圍巖：

超前小導管：20元/m×4 m×40根=3 200元

φ6鋼筋網：25元/m2×(3.14×6×10)m2=4 710元

φ22砂漿錨桿：4 m×10×3.14×6÷1.44×2.98 kg/m×5.68元/kg=8 858元

防水卷材：30元/m2×(3.14×6+0.24)×10.24=5 861元

仰拱：280元/m3×0.5×12×10=16 800元

人工費：8×7天×200元/天=8 400元

總計47 829元

對Ⅳ1級圍巖：

φ6鋼筋網：20元/m2×(3.14×6×10)m2=3 768元

φ22砂漿錨桿：3 m×10×3.14×6÷1.44×2.98 kg/m×5.68元/kg=6 643元

防水卷材：30元/m2×(3.14×6+0.16)×10.16=5 791元

人工費：8×3天×150元/天=3 600元

總計19 802元

以上成本計算并不完全，若考慮全部直接工程、間接費、利潤和稅金，兩者差距將會更大。這個簡單的對比，可以證明準確的圍巖分級預測可以在保證施工質量的情況下，及時變更支護形式，調整施工工法，縮短施工工期，降低施工成本，從而更好地指導隧道施工。

3 結 語

一方面，筆者對隧道圍巖動態分級方法進行了簡要介紹，并應用于長橋隧道進行了對比分析，驗證了隧道圍巖動態分級方法的準確性。討論了隧道圍巖動態分級方法與常規方法預測結果對工程的影響。結果表明隧道圍巖動態分級方法確有其優勢和必要性；另一方面，在實際工作中我們發現：采用綜合預報分析方法進行超前預報時，有時不同方法所得結論會互相矛盾，除去不同方法的適用條件和敏感程度的不同外，另一個很重要的原因是不同物探方法所得信息之間較孤立，只對各自所采集信息進行了解釋，這就導致每一種方法固有的多解性問題并沒有得到實際改善，最終導致綜合預報體系變成了各種“假異常”的疊加。李術才等[8]認為：多元地球物理信息的聯合反演可以實現不同物探方法所得數據的彼此約束，是一種有效抑制多解性的途徑，從而可以較為理想地解決上述問題。由此可見，超前地質預報在指導施工方面雖取得了一定成效，但對于實際應用中遇到的問題，還需結合更多的實際工作對已有理論進行更加詳細地分析和優化，完善圍巖動態分級體系，以便為隧道的安全施工提供更全面，更科學的理論依據。

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(責任編輯：朱漢容)

Application of Advanced Geological Prediction in Dynamic Classification Prediction for Tunnel Surrounding Rock

RONG Yao1，SUN Bin2，SUN Yang1

(1.Jiangxi Transportation Institute，Nanchang 330052，Jiangxi，P.R.China)(2.School of River & Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

The classification of tunnel surrounding rock has a direct impact on the determination of excavation method and the kind of the supporting structure as well as the tunnel’s construction safety and many other aspects.How to accurately predict the surrounding rock’s classification is still an emphasis and difficulty in current tunnel engineering.Taking Changqiao tunnel as an example，three advanced geological prediction methods were applied successively，that is TGP detection，SIR-20 geological radar detection and geological logging method.Therefore，a dynamic prediction of surrounding rock’s classification was carried out from far to near，meanwhile from coarse to fine.Actual excavation results show that the proposed dynamic prediction method has high accuracy，which provides an effective guidance for the safety of tunnel construction.

tunnel engineering; advanced geological prediction; highway tunnel; dynamic classification of surrounding rock

2016-04-20；

2016-07-19

江西省交通科技項目(2015C0016；2016H0023)

榮 耀(1979—)，男，江西萍鄉人，教授級高級工程師，主要研究方向為隧道工程。E-mail：kaian2010@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.03

U451

A

1674-0696(2017)06-018-06