淺談綜合超前地質預報在施工中的應用

武蘭珍

（甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

水工隧洞的圍巖地質條件具有復雜性和多變性，加之勘測手段的局限性，要在勘查設計階段準確的判定圍巖地質狀態、特性，并準確的預測隧道施工中可能引發的地質災害的位置、規模、性質十分困難。這些問題的解決，必須依靠隧道施工中展開的超前地質預報工作。目前在我國用于隧洞綜合超前地質預報的單一方法主要有隧道地震超前預報系統TSP、水平聲波剖面法(HSP)、陸地聲納法、探地雷達法、瞬變電磁法、超前鉆孔法和超前平導法等幾種[1]，每種方法都有各自的局限性，本文重在研究一種相對完善和易于推廣的綜合預報模式。

1 工程概況

廣西桂中治旱馬良隧洞單項工程位于來賓市興賓區遷江鎮，距柳州市130 km，距來賓市約60 km，隧洞設計引水流量為31.72 m3/s，輸水線路總長7560 m。隧洞進口水面線高程102.99 m，底高程為99.01 m，出口處水面線高程101.17 m，底板高程為97.19 m，底坡為1/4200。按無壓隧洞設計，城門洞型，底寬為5.3 m，高5.92 m。

2 地質概況

隧洞總體走向為南北向，所在山體為巖溶峰叢地貌,巖溶洼地和落水洞眾多。整體地勢西側高、東側低，山體地形較平緩,隧洞沿線山體自然坡度 15°～25°。

2.1 巖溶及地下河發育特征

隧洞所在地區碳酸鹽巖類廣泛存在,且深大節理裂隙和巖溶較為發育。地表巖溶形態以峰叢洼地、落水洞為主。根據工程地質測繪成果隧洞軸線兩側各500 m的范圍內(計算面積約9 km2),上覆山體的落水洞及巖溶洼地數量超過60個。根據物探大地電磁法探測,隧洞軸線沿線巖溶發育高程0 m～170 m不等。根據地面地質測繪及物探成果,推測隧洞沿線共發育6條地下河。

2.2 水文地質條件

隧洞位于峰叢洼地邊緣，地勢西高東低，地下水位整體由西北經過隧洞流向東南側，與隧洞大角度相交，隧洞洞身段位于地下水活動強烈變化帶內。隧洞西側山體雄厚,巖溶洼地眾多，匯水面積較大，巖溶水豐富，枯水季節地下水位高于隧洞頂，施工時可能出現大量涌水和涌泥現象。

由于本隧洞位于山區向合山盆地過渡區域，碳酸鹽巖類廣泛存在，本區巖溶發育較好，落水洞及暗河眾多，水文地質條件極其復雜。隧洞開挖過程中存在涌水或突泥的可能性大，危害性大，且巖溶發育隨機性強，巖溶管道與地下暗河聯通關系復雜，與隧洞交叉關系難以明確。為確保隧洞施工安全，施工時必須對隧洞全線進行連續超前地質預報。

3 現場綜合地質預報方法

3.1 TSP法

地震波反射法超前預報是利用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，通過相關處理系統進行數據處理，結合已有的地質資料綜合分析，實現對隧道前方地質條件的推斷，達到超前地質預報的目的，探測距離一般為100 m～150 m。隧洞G3+259～G3+109段采用TSP203型隧道超前地質預報系統進行檢測。TSP預報地質構造偏移成像圖及波速衰減處理成果圖見圖1。

根據成果圖并結合地質情況綜合分析分段預報推斷結論如下：

G3+259～G3+222段,該段長度37 m，結合該段成果圖及地質情況綜合分析，通過分析縱橫波對比速度及反射符號分布曲線圖，縱波速度呈上升趨勢，橫波波速略有起伏，縱波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：94°與74°，橫波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：90°與64°；預報里程段圍巖主要為微風化灰巖，以堅硬巖為主，圍巖節理裂隙較發育，巖體較破碎，多呈厚層狀-鑲嵌碎裂結構，可能存在溶蝕裂隙，夾層甚至巖溶溶腔。

G3+222～G3+168段,該段長度54 m，結合該段成果圖及地質情況綜合分析，通過分析縱橫波對比速度及反射符號分布曲線圖，縱波速度有所上升，橫波趨于穩定，但橫波波速較低，縱波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：86°與-89°；預報里程段圍巖主要為微風化灰巖，以堅硬巖為主，圍巖節理裂隙稍發育，巖體較完整，多呈厚層狀結構。

G3+168～G3+109段,該段長度59 m，結合該段成果圖及地質情況綜合分析，通過分析縱橫波對比速度及反射符號分布曲線圖，縱波速度趨于平穩，橫波速度略有起伏，橫波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：90°與90°；預報里程段巖溶稍發育。

3.2 地質雷達探測法

根據TSP的預報結果，為了進一步明確圍巖情況，針對巖層較為發育的G3+259～G3+222段，采用地質雷達進行進一步探測。地質雷達探測是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅、頻率和相位不同來判斷前方傳播介質的變化。介質介電常數的差異決定了電磁波反射的強弱程度和其相位的正負。巖石巖性、風化程度及其含水量等的變化將影響其介電常數，電磁波反射的頻率、振幅、相位也將發生變化，因此，根據電磁波反射的特征推斷掌子面前方的地質情況，一般探測距離為20 m～30 m。

圖2 地質雷達系統組成圖

圖3 地質雷達探測原理圖

選用美國GSSI公司生產的SIR-3000型地質雷達，使用中心頻率為100 MHz的天線，沿測線進行數據采集，連續探測，并得出雷達反射剖面。采集參數為：采集方式為連續，每掃描采樣數為1024，采集時窗為600 ns。在G3+259掌子面上布置雷達，沿水平和垂直方向共布置了4條地質雷達測線，經雷達圖像處理分析后得到雷達波形，見圖4。

圖4 地質G3+259～G3+234段雷達波形圖

根據以上地質雷達數據處理成果圖并結合現場實際地質情況綜合分析，可得出以下結論：在樁號為G3+259～G3+234的25 m探測范圍內，根據所做的地質雷達波譜圖可以看出，電磁波能量反射較強，深部電磁波衰減明顯，結合地質情況綜合分析推測預報里程段范圍內，圍巖巖性為微風化灰巖，節理裂隙較發育，巖體較破碎，多呈中薄層狀結構。預報里程段巖溶略發育，局部存在溶蝕裂隙、裂隙夾泥；預報里程段地下水稍發育，受大氣降水影響較明顯，可能出現沿溶蝕裂隙滲流等現象。同時，此結果還驗證了TSP預測結果中里程段G3+259～G3+234裂隙間多泥質充填或存在溶蝕裂隙，局部可能存在巖溶裂隙的情況。

3.3 超前鉆孔

根據TSP預報及地質雷達探測的結果，基本可以確認里程段G3+259～G3+234裂隙間多泥質充填或存在溶蝕裂隙，為了進一步明確掌子面的情況，以便明確爆破設計參數。在人工鉆爆破孔前，采用氣腿式鉆機，在地質雷達不能全面覆蓋的拱角和拱頂區域進行超前鉆孔，鉆桿采用5 m加長，通過對鉆孔的難易程度（是否出現卡鉆情況）及鉆孔的透水情況進行全斷面分析。對G3+259掌子面處進行鉆孔，確認孔正常、局部有泥水流出，進一步驗證了局部巖溶較發育，局部存在溶蝕裂隙、溶蝕通道的可能。

4 結語

根據上述檢測結果，G3+259～G3+234在實際施工中采用了短進尺、弱爆破的方式，按Ⅴ類圍巖進行開挖，由原來的2m鉆爆距離縮短到0.8 m的鉆爆安全距離，經過實際開挖完成后比對，綜合地質預報的結論準確，確保了隧洞施工的安全，同時加快了施工功效。本文依托廣西桂中治旱某隧洞單項工程的巖溶發育特征，利用TSP超前預報系統和地質雷達等物探手段對隧洞不良地質缺陷進行了探測，結合掌子面揭露情況和超前鉆探結果，推斷出有探測段圍巖的地質狀況，很好地驗證了此次TSP超前預報和探地雷達相結合探測不良地質缺陷的準確性，可供類似工程參考借鑒。