綜合超前地質預報在隧道斷層破碎帶開挖中的應用

繆 寧 張紹量 袁翠萍

(1.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院，云南 昆明 650051；2.云南創研勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650000)

綜合超前地質預報在隧道斷層破碎帶開挖中的應用

繆 寧1張紹量1袁翠萍2

(1.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院，云南 昆明 650051；2.云南創研勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650000)

以南峰隧道開挖為例，運用綜合超前地質預報探測里程ZK3+660～ZK3+544范圍內的地層情況。將探測結果與開挖后的實際情況進行對比發現，綜合超前地質預報可以有效地探測掌子面前方斷層破碎帶，可以為隧道開挖提供參考。在隧道開挖中，超前地質預報具有重要的意義。

隧道，斷層破碎帶，地質雷達，TGP反射地震波法

0 引言

當公路、鐵路在通過山區的時候，經常需要開挖隧道，準確地對開挖隧道前方的地質情況進行預報是隧道安全開挖的基礎，許多學者對此做了研究[1-4]。羅利銳，劉志剛和姚海波等[5]將地質雷達運用到棋盤石隧道中，準確地預測到開挖前方的溶洞，與實際情況一致。唐亞輝[6]將地質雷達和TSP法綜合運用到隧道開挖中，將兩者的結果與實際情況進行比較，發現兩種方法的綜合運用可以使得預測結果更為準確。在隧道開挖中，斷層破碎帶是隧道開挖中經常遇到的問題。由于斷層破碎帶自穩性極差，在隧道開挖的過程中極易失穩。因此，準確預報斷層破碎帶位置，并及時進行有效地支護是隧道開挖的重點。

本文結合前人的研究，將綜合超前地質預報運用到南峰隧道的開挖中，準確預報斷層破碎帶的位置，及時對圍巖進行支護，確保隧洞的穩定性。

1 基本原理及方法

根據場地地層巖性及地質結構的特點，選用地質雷達法和TGP反射地震波法進行隧道開挖的超前預報，現對這兩種方法進行介紹。

1.1TGP反射地震波法

北京水電物探研究所根據需要，開發了TGP206隧道超前預報儀，主要利用的是地震波的反射回波測量原理。在現場預定位置埋設小劑量的炸藥，利用炸藥爆炸產生的地震波在巖土體中傳播，從而來判斷巖土體的結構和性質。由于是人工激發的地震波，需要對接收的地震波進行降噪處理，排除干擾信號的影響，再通過計算機將需要的地質信息輸出。

1.2地質雷達法

地質雷達法主要是利用探測的目標與周圍介質之間存在著明顯的電位差來進行判斷的。當發射天線向地下介質發射高頻電磁波，電磁波在介質中傳播時，其波形特性會隨著介質大小、電性的不同而發生變化。當電磁波反射回地面時，被接收天線所接收。計算機會對接收到的波進行分析和處理，從而可以判斷地下情況，地質雷達探測原理具體如圖1所示。

電磁波在介質中的傳播速度與巖土體的類型、圍巖堅硬程度、含水率等有關。通常工程勘探和檢測中所遇到的介質都是以位移電流為主的低損耗介質，反射系數r和波速v主要取決于介電常數ε的大小。

2 工程地質概況

南峰隧道位于福建省福州市連江縣，軸線大致呈東西走向，穿越南北向的南峰山。雙洞雙向行車，左洞為ZK1+075～ZK4+714，全長3 639 m；右洞為YK1+090～YK4+697，全長3 607 m，屬于特長隧道。進口處地面高程在150 m～155 m，出口處地面高程約130 m～135 m，隧道軸線最高點高程約548 m，相對高差400 m～420 m。根據勘察發現，該區的主要地層為粉質粘土、花崗巖和花崗斑巖。官溪—對洋斷裂帶穿過隧道區附近，受其影響隧址區次級構造較發育，但未見有活動性斷裂。主要為斷層構造及擠壓型節理裂隙密集帶發育，整體較穩定。

3 數據采集、處理與分析

3.1TGP反射地震波法

本次采用國產TGP206預報系統對鄰近斷層的掌子面進行探測，測試掌子面里程為ZK3+660，傳感器斷面里程為ZK3+735，分別布置于隧道左右邊墻內，激發炮孔24個，間距2 m，布置于右邊墻。本次探測里程為出口左洞ZK3+660～ZK3+544，共116 m，波形圖如圖2,圖3所示。

由圖2可以發現：橫波的波幅、頻率和速度與縱波相比有明顯不同，各參數有顯著差別且分離明顯，說明現場采集的地震波原始記錄是優良的，滿足要求。

對數據進行處理，處理結果如圖3所示。可以發現：在里程ZK3+660～ZK3+610范圍內，縱波視速度僅在ZK3+642附近較大幅度升高，持續距離較短約10 m又減小，橫波視速度小幅度減小，短距離有回升，縱橫波速比后段變大，縱波反射總體比橫波強；在里程ZK3+610～ZK3+580范圍內，縱波視速度顯著降低，橫波速度先小幅增大后不變，縱橫波速比變小，波速在該段維持在一個較小值不變；在里程ZK3+580～ZK3+544范圍內，縱波視速度雖有小幅度變化，但總體變化幅度較小，波速基本以6 500 m/s為中心小幅度跳動，但總體是此段縱波視速度與掌子面波速較接近(6 400 m/s),橫波視速度基本不變，縱橫波速比變化較小，縱波反射強于橫波，橫波基本無反射。

TGP探測結果表明，前方有一約30 m的斷層，位于里程ZK3+610～ZK3+580，圍巖較破碎，施工時應適當放慢開挖速度，并防止塌方、掉塊等事故的發生。

3.2地質雷達法

由于地質雷達有探測精度較高、探測距離較短的特點，可以利用地質雷達對前期判斷的斷層破碎帶進行詳細探測。由于探測距離較短，因此分段進行，探測結果如圖4,圖5所示。

從圖4中可以發現：反射波在ZK3+616～ZK3+606段內圍巖反射波局部振幅稍大，同相軸稍有彎曲，推測該段圍巖質量較掌子面圍巖基本一致；反射波在ZK3+606～ZK3+590段內同相軸錯斷，振幅較大，波形雜亂，推測該段圍巖較破碎，節理裂隙較發育。從圖5中可以發現：反射波在ZK3+593～ZK3+583段內圍巖反射波振幅較大，同相軸連續性較差，波形雜亂，推測該段圍巖質量較掌子面圍巖基本一致；反射波在ZK3+583～ZK3+563段內同相軸較續性，波形較均一，推測該段圍巖較掌子面圍巖要好，節理裂隙弱發育。地質雷達探測結果與TGP探測結果基本吻合，推測斷層破碎帶位置為ZK3+605～ZK3+583。

4 預報結果與實際結果對比

現將綜合超前地質預報與實際情況進行對比，可以發現：在里程ZK3+660～ZK3+605范圍內，綜合地質預報結果為圍巖節理裂隙弱發育，完整性較好，地下水弱發育。開挖結果與探測情況類似，圍巖為微風化花崗巖，節理裂隙一般發育，開挖過程中偶有地下水呈點滴狀出露，圍巖自穩能力較好，無其他不良地質現象。在里程ZK3+605～ZK3+583范圍內，探測結果為斷層破碎帶，開挖揭露的圍巖為弱風化花崗斑巖，節理裂隙較發育。該斷層為區域性地質斷層，經后期斷層活動及輝綠巖脈的侵入，斷層擠壓帶已被硅質膠結，呈塊狀鑲嵌破碎結構；與隧道呈小角度相交，破碎帶厚7 m，影響范圍為12.2 m；ZK3+602附近地下水呈淋濾狀滲出，圍巖自穩能力稍差。在ZK3+583～ZK3+542范圍內，探測結果為圍巖節理裂隙不發育，完整性較好，地下水不發育。開挖揭露的圍巖為微風化花崗斑巖，ZK3+580～ZK3+575段圍巖稍破碎，之后的圍巖逐漸變好，巖體較完整，巖質堅硬，呈大塊狀鑲嵌結構，灰白色，結構面稍發育；局部偶有地下水呈點滴狀滲水，圍巖自穩能力較好。

將綜合超前地質預報結果與開挖后的情況進行對比發現，預報結果與實際揭露情況基本一致。TGP探測距離較遠，預報精度較地質雷達差，只能做到大致預報。綜合預報準確性較好，及早預知斷層的位置及規模，避免了掉塊、塌方等事故的發生。

5 結語

斷層破碎帶是隧道開挖的薄弱位置，需要重點關注，及時進行支護。本文利用綜合超前地質預報對南峰隧道的斷層破碎帶進行探測。通過以上研究，可以得到如下結論：

1)利用TGP反射地震波法，測得里程ZK3+610～ZK3+580范圍內有一個寬度約30 m的斷層破碎帶；

2)將綜合超前地質預報探測的結果與實際情況對比發現，TGP反射地震波法和地質雷達法相結合可以有效的探測開挖前方的斷層破碎帶，使得隧道在開挖過程中能夠及時支護，避免出現塌方、掉塊。

[1] 張冠男,周建春.GPT超前地質預報技術在馬留山隧道中的應用[J].工程勘察,2012(12):79-83.

[2] 胡 庸.HSP超前地質預報技術在隧道工程中的應用[J].現代隧道技術,2013(3):136-141.

[3] 胡輝榮,于 貴.TSP203 Plus超前地質預報系統在高竹頂隧道斷層中的應用[J].鐵道工程學報,2011(5):1-4,16.

[4] 李 華,李 富,魯光銀,等.TSP法與探地雷達相結合在隧道超前地質預報中的應用研究[J].工程勘察,2009(7):86-90.

[5] 羅利銳,劉志剛,姚海波,等.超前地質預報在棋盤石巖溶隧道中的應用[J].鐵道工程學報,2009(11):10-12,22.

[6] 唐亞輝.地質雷達和TSP法在隧道超前地質預報中的應用[J].人民長江,2015(S1):100-102.

Applicationoftheintegratedadvancegeologyforecasttechnologyinexcavationofthefracturezoneoftunnel

MiaoNing1ZhangShaoliang1YuanCuiping2

(1.KunmingProspectingDesignInstituteofChinaNonferrousMetalIndustry,Kunming650051,China;2.YunnanChuangyanSurverDesignInstituteCo.,Ltd,Kunming650000,China)

Taking the excavation of South Peak as an example, the integrated advance geology forecast technology is used to explore the formation condition of range ZK3+660～ZK3+544. The results are compared with the actual situation after excavation, the integrated advance geology forecast technology can effectively detect the broken faults ahead of tunnel and provide a reference for the tunnel excavation. The integrated advance geology forecast technology is of great significance in tunnel excavation.

tunnel, fracture zone, GPR, TGP reflected seismic wave method

U456.33

A

1009-6825(2017)26-0159-03

2017-07-08

繆 寧(1976- )，男，工程師