超前地質預報在隧道施工中的應用技術研究

王昊森 張衛衛 陳雷 汪久陽 張鵬飛

摘要：文章介紹目前隧道施工中進行超前地質預報的主要內容和重要意義，以鄭州至西峽高速公路堯山至欒川段木扎嶺隧道為例，介紹其超前地質預報所使用的儀器和原理，以及具體的超前預報方法、原理以及地質條件結論分析，并給出了相應的隧道開挖施工建議。

關鍵詞：超前地質預報；隧道施工；應用技術

1引言

近年來隨著我國經濟的發展和道路交通事業的快速發展，我國的公路建設尤其是高速公路建設的里程不斷增加，且逐漸向我國山區等地勢較為險峻和復雜的地區，因此在這些地區中進行高速公路的建設就需要進行隧道建設來針對這些地區的地形地貌等問題進行解決。而在這些較為復雜的地質圍巖中進行隧道施工，容易遇到溶洞、富水區以及斷層破碎帶等，從而影響隧道施工的安全。這就需要通過超前地質預報技術來提高對地質災害預測的準確性，真正展現施工地區的地質情況，為施工方案和地質災害預防方案的制定提供準確的數據和技術支持。

2隧道施工超前地質預報研究現狀與發展趨勢的重要意義

2.1超前地質預報的主要內容

進一步查清因前期地質勘察工作的局限而難以探查的、隱伏的重大地質問題，預報施工隧道掌子面前方的不良地質災害，進而正確指導隧道工程的安全施工。降低地質災害發生的機率和危害程度，確保隧道施工安全。由于進行預報，能夠提前了解開挖面前方圍巖的地質情況，并在施工中有針對性地采取預防措施，因此，能夠有效地控制突水、涌水、塌方等地質災害的發生，從而避免或減少由此造成人員及設備的損傷等。為設計支護參數的合理變更提供必要的依據。通過地質預報，可以獲得開挖面前方存在的特殊地質現象，以及巖層的物性和力學參數，為設計支護參數的合理變更提供必要的依據。確保質量，控制投資。有了地質預報，能夠及時了解隧道圍巖存在的地質情況，提前對軟弱巖層進行預加固，合理變更施工參數，確保隧道連續掘進，贏得施工時間。

2.2超前地質預報的主要意義

超前地質預報是在分析既有地質資料的基礎上，采用地質調查、地質素描、物探、超前地質鉆探等手段，對隧道開挖工作面前方的工程地質與水文地質條件及不良地質體的工程性質、位置、產狀、規模等進行探測、分析判斷及預報，并提出措施建議。為正確選擇開挖斷面、支護設計參數和優化施工方案提供依據，并為預防隧道涌水、突水、圍巖失穩等可能形成的災害性事故及時提供信息，便于施工單位提前做好預案，保證施工安全。

3超前地質預報技術分析

3.1工程概況

鄭州至西峽高速公路堯山至欒川段木扎嶺隧道為一座左、右線分離的雙向四車道高速公路隧道，位于河南省魯山縣與嵩縣交界處木扎嶺附近。隧道全廠6570m。其中二標段隧道區屬侵蝕大起伏中山地貌，海拔在880～1150m，地形起伏不平，總體地勢南高北低，山勢陡峻，溝谷深切，山間植被茂盛，根系發達。本隧道區分數華北地層區，區分上覆地層為第四系更新統的殘坡積碎石土，分布不連續，主要分布在坡腳處，下伏基巖為中生界花崗巖。隧址區地下水類型為松散巖類孔隙水和塊狀基巖裂隙水。松散巖類空隙水分布在更新統碎石土層，該層含水層富水性一般，含水量含降水影響大，地下水大多受大氣降水滲入補給。

3.2地質超前預報的儀器和技術原理

為進一步查清隧道開挖工作面前方的工程地質與水文地質條件，指導工程順利進行；降低地質災害發生的幾率和危害程度；為優化工程設計提供地質依據；為編制竣工文件提供地質資料，因此需要在隧道開挖之前進行超前地質預報工作。所采用的地質預報儀器為美國勞雷公司的地質雷達攜帶100MHz屏蔽天線，以及瑞士馬拉雷達進行掌子面前方地質超前預報。其工作原理就是：高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發射天線發射，經過目標體反射或透射，被接收天線所接收。高頻電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質的電性質及集合形態而變化，由此通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下截面或目標體的空間位置或結構狀態。地質雷達具有分辨率高、無損、操作簡便、抗干擾能力強等特點，適用于各種環境條件。

4超前地質預報工作方法及其在隧道施工中的實際應用

4.1超前地質預報方法

儀器設備的信號增益控制具有指數增益功能，模數轉換大于16bit，具有8次以上信號疊加功能，連續測量時，掃面速率大于每秒128次。通過試驗選擇合適的儀器參數，采樣率宜選用天線中心頻率的6倍～10倍。支撐天線的器材應選用絕緣材料，天線操作人員不應佩戴金屬物件。測試過程中天線應緊貼巖壁，水平測線高度基本一致，垂直測線應保持鉛直。現場采用連測時，應勻速緩慢移動天線，保證點距不大于20cm；采用點測時，點距宜為20cm，采樣時保持天線靜止。

4.2超前地質預報的原理

地質預報的雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式進行記錄，以波形或者灰度顯示探測雷達剖面圖。地質雷達探測資料的解釋主要有數據處理和圖像解釋兩部分內容。由于地下介質相當于一個復雜的濾波器，介質對波的不同程度的吸收以及介質的不均勻性質，使得脈沖到達接收天線時波幅減小，波形變得與原始發射波形有較大的差異。另外，不同程度的各種隨機噪聲和干擾，為進一步解釋提供清晰可變的圖像。對于異常的識別應結合已知到未知，從而為識別現場探測中遇到的有限目的體引起的異常，以及對各類圖像進行解釋提供了依據。在本次預報中所使用的設備為美國GSSI公司生產的SIR3000型地質雷達，探測剖面如圖4.1所示。探測中使用了100MHz頻率天線，時窗分別設置為600ns。得出的木扎嶺隧道左線進口ZK25+462掌子面素描圖如4.2所示。可以看出ZK25+462開挖掌子面圍巖巖性為微風化花崗巖為主，塊狀構造，圍巖巖體較完整，結構結合面一般，穩定性較好，受地質構造影響較大。

4.3預報區段的工程地質條件和結論分析與建議

掌子面前方同相軸連續性一般，電磁波振幅較強；據此推測前方圍巖為微風化花崗巖為主，塊狀構造，節理裂隙較發育，圍巖巖體較完整，結構結合面一般，穩定性一般。綜合地質工程師分析與判斷結果，預測里程樁號為ZK25+462～ZK25+492段的工程地質條件如下：巖性為微風化花崗巖為主；結構構造主要為塊狀結構；斷層破碎帶為前方無明顯破碎帶；無明顯地下水；未發現有較明顯巖溶發育情況。針對上述情況可以得出工程地質條件為：圍巖以微弱風化花崗巖為主，塊狀結構。圍巖巖體較完整，結構結合面一般，層理面是控制隧道圍巖穩定的主要因素，對圍巖穩定性影響大。總體上，隧道前方的圍巖較穩定，拱頂無支護時拱頂易掉塊，所以開挖后應及時支護。周邊地質情況與隧道內的圍巖基本相同。通過以上分析可以預測里程樁號為ZK25+462～ZK25+492段掌子面前方0～30m范圍為Ⅲ級圍巖。建議該段范圍嚴格按照原設計圖紙施工，采取“短進尺、少擾動、緊加固、勤量測、早封閉”等技術措施以確保施工安全；加強洞內拱頂下沉、周邊收斂監測，監測頻率1～2次/天，隨時掌握洞內拱頂的穩定性，根據量測數據及時調整開挖進尺等施工參數。

5結語

在對隧道施工中所使用的超前預報方法的內容和意義進行介紹之后，了解此技術可以對隧道地質安全事故的發生概率進行有效降低，從而對于確保施工人員和隧道施工的安全具有重要作用。而且需要在隧道施工中采用超前地質預報技術之前根據隧道工程結構特點來進行選擇，嚴格控制操作流程來確保探測結果的準確性，有效確保隧道施工的質量和安全。

參考文獻：

[1] 蘇校鋒. 隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢[J]. 環球人文地理，2017（7）.

[2] 周建春，李衛民，魏琴，等. 復雜環境大斷面隧道施工超前地質預報技術與工程應用[J]. 中外公路，2016（4）：238-241.