綜合超前地質預報技術在銅盤山隧道中的應用

涂孝波，易萍華，陳 亮

（1東華理工大學建筑工程學院，江西南昌 330013；2上海同濟檢測技術有限公司，上海 200092）

0 引言

隧道地質條件復雜多樣，前期工程地質勘察由于地質、地形條件的復雜性，以及受精度、時間、成本條件的限制，地質資料不可能詳細全面地反應實際地質情況，施工過程中就有許多安全隱患的存在。因此，在隧道施工階段通過超前地質預報及時掌握開挖面前方不良地質體的位置、規模和性質，減少或避免突發性地質災害的發生，已成為隧道建設不可或缺的工序。

近年來，國內外學者在隧道超前地質預報方面開展了大量研究，但到目前為止，還沒有任何一種預報方法能解決所有地質問題，采用單一的預報方法，在地質條件復雜的地段經常出現漏報、誤報等情況，因此，針對這個問題許多學者提出了多種預報手段綜合應用的預報方法，并取得了許多成功的案列。如張慶松等人[1]通過對隧道常用超前地質預報方法應用技術現狀的分析，討論了綜合超前地質預報的必要性。陳建平等人[2]提出的綜合超前預報方法，重視地質法的指導作用，將多種物探方法綜合應用。羅浚等人[3]提出多種方法相結合的隧道綜合超前地質預報方法，并建立合理的預報流程。

本文分析了隧道常見超前地質預報方法的基本原理、優缺點，提出了綜合超前地質預報技術，結合杭紹臺高速銅盤山隧道工程背景，詳細說明該技術具體實施方法與步驟。

1 隧道常見超前地質預報方法

1.1 地質法

地質法是一種基礎的、實用的超前地質預報方法。主要是充分利用已有的基礎資料對隧址區的工程地質和水文地質情況進行初步判斷，對可能存在地質災害隱患的地段再通過地表補充調查、隧道內地質編錄、掌子面地質素描等進一步查明該地段地質條件。根據地層界線、結構面產狀以及地質構造地表和地下相關性原理，不良地質體的前兆現象，運用地質理論對隧道前方的地質情況做出預測[4]。通過地質法可對隧址區地質復雜程度等級進行劃分，評估風險等級，確定重點預報地段，指導超前地質預報方案的制定。該方法不影響施工，儀器設備簡單易操作，可實時掌握隧道地質條件的變化，預報效果良好；缺點是容易漏報隧道前方隱蔽的不良地質體[5]。

1.2 鉆探法

鉆探法包括超前地質鉆探和加深炮孔探測，兩者都是通過鉆探情況來獲取地質信息。主要是根據鉆探情況來探明巖性的變化，以及構造、含水性、巖溶洞穴等的發育位置及其規模。該方法具有直觀性、客觀性、不存在多解性和不確定性等優點，可以直觀地反映鉆孔所經過部位的地質情況；但耗時長、費用高，一般很少被采用。

1.3 物探法

TGP（Tunnel Geology Prediction）地震波反射法超前地質預報是基于地震波在不均勻介質傳播過程中將產生反射波，根據反射波特性對掌子面前方的地質情況做出預測。該方法是在隧道側壁同一高度等間距布置多個激震孔，通過人工制造一系列地震波信號，地震波在隧道周圍巖體內傳播，當遇到一些地質界面或地質帶時會發生反射。反射的地震波將被預先埋置的檢波器采集接收，再通過相應的軟件進行處理得到成果圖，最后再結合基礎地質資料綜合分析，推斷掌子面前方圍巖的地質情況。該方法預測距離長，適用于長距離預報，對于大規模和大角度相交的不良地質體預報效果良好；但對于不連續、不規則形狀以及小角度相交的不良地質體預報準確度難以保障，同時探測成果存在多解性，諸如斷層、節理、結構面或其他界面異常形式差別很小[6-7]。

地質雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）探測是基于電磁波在介質傳播過程中遇到不同地質界面，電磁波將出現異常，根據其異常形態特征和衰減情況對掌子面前方的地質情況進行推斷解釋。該方法是通過向地下介質發射高頻電磁波，電磁波在傳播過程中，當遇到電性差異界面時，將產生反射現象，接收反射回來的電磁波。采集到的數據經過處理后，然后根據波形，再結合地質資料推斷地下介質的空間位置、大小及其特性等。該設備分辨能力強，判釋精度高，對于小規模的地質體和含水性異常分辨能力強；但預報距離較短，易受其他因素干擾[8-9]。

紅外探水法就是利用地下水的活動引起巖體紅外輻射場的變化，根據輻射場的變化來確定掌子面前方及其周圍是否存在隱伏的含水體。該方法主要用于探測含水不良地質體；但是，無法判斷水量與確切距離，預報距離短，容易受干擾。

2 綜合超前地質預報

上述每種方法都有其自身的局限性，地質法對于不可預見的地質體容易漏報，鉆探法成本高、耗時長且預報范圍有限，物探法存在著多解性，而隧道的地質條件又復雜多樣，采用單一的預報方法并不能解決所有地質問題。因此，根據不同的地質情況、預報效果、預報距離，將不同的預報方法合理搭配，綜合應用。

綜合超前地質預報技術即采用以地質分析法為基礎，物探法為輔助，鉆探法為復核的粗-中-細的綜合超前地質預報方法。多種方法綜合運用，多管齊下，充分發揮各方法的優勢，相互驗證與補充，提高預報的可靠性和精確度。

綜合超前地質預報技術應以“地質與物探結合，洞內外結合，長短結合、綜合應用、堅持預報與開挖驗證反饋”為原則進行預測預報。預報流程如圖1所示。該技術注重地質分析法的基礎作用和指導作用，并將掌子面地質素描和地質編錄貫穿于隧道超前地質預報的始終，只有在充分掌握地質資料的基礎上，才能準確有效地指導其他預報方法的應用。對異常區段采用多種方法合理搭配、綜合應用的模式進行預報；堅持預報結果與開挖揭露情況對比驗證，分析反饋，總結經驗，糾正偏差，以提高預報的準確性。

圖1 綜合超前地質預報技術流程圖

3 工程應用

3.1 工程概況

銅盤山隧道左線全長4244m，最大埋深為370m。右線全長4183m，最大埋深為367.5m，屬于特長隧道，采用分離式設計。

隧址區上覆分布薄層粉質黏土、碎石，下伏基巖為流紋質凝灰巖，凝灰質砂巖等。隧址區內受多期構造運動影響，分布有5條斷層，F1—F5。F1斷層寬度最大，斷層帶內巖石呈糜棱巖狀、構造角礫巖狀、斷層泥狀均有，巖性復雜，工程性質較差；F3斷層由多條平行的擠壓破碎帶組成，帶內巖石破碎，完整性差，工程性質較差；F4斷層寬度不大，帶內巖體較破碎，巖石蝕變強烈，局部地段節理發育密集，工程性質較差；其它兩條斷層性質相對較好。

3.2 銅盤山隧道綜合超前地質預報的實施

首先通過分析銅盤山隧道前期的工程地質資料，得出隧址區內構造發育，隧道穿越多條斷層，斷層發育地段地質條件復雜，是施工高風險地段，因此，隧道穿越斷層地段應該作為施工中的重點預報區段，本次預報選取已開挖的F4斷層破碎帶為例，詳細說明綜合超前地質預報方法的應用。

通過地表實測顯示，F4斷層與隧道的位置關系如圖2所示。與圍巖呈斷層接觸，產狀321°∠56°，與隧道軸線大角度相交，巖質較堅硬，呈鑲嵌碎裂狀結構，節理裂隙發育，巖體破碎。

圖2 銅盤山隧道F4斷層工程地質剖面圖

掌子面（樁號K53+368）地層巖性為青灰色凝灰巖，強～中等風化，節理裂隙較發育，結構面產狀為254°∠69°，裂隙間多泥砂質充填，綠泥石化蝕變強烈，圍巖穩定性較差，掌子面可見滲、滴水現象，工程性質較差。

根據前期的地質資料以及地表補充調查，該里程段發育有F4斷層，通過掌子面地質情況可以看出，可能臨近斷層，前兆現象明顯，結合各種物探的適用性，決定先采用地震波反射法（TGP-206）對K53+368～K53+268里程段進行長距離探測，初步查明斷層發育位置、規模等，對于異常區段，再輔以地質雷達法準確判斷其發育位置及其規模，或者采用紅外探水查明富水情況，最后在有必要的情況下利用加深炮孔或超前鉆孔進行直觀分析。

3.2.1 TGP預報

現場采用TGP-206對K53+368～K53+268段巖體（100 m）進行長距離預報，圖3為通過TGPwin軟件處理得到的成果圖。

預報結果解析如下：

1） K53+368～K53+354,長14m，偏移圖顯示無明顯異常，反射面少，縱橫波速度不變，推斷該里程段圍巖與當前掌子面一致，建議圍巖級別為Ⅲ級；

2） K53+354～K53+326,長28m，縱橫波速度明顯下降，縱波速度低于3000m/s，橫波速度低于2000m/s，縱波和橫波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：71°與-60°和70°與59°。 該里程范圍內共有5條強反射界面，分別在隧道的K53+354、K53+344、K53+338、K53+335和K53+326里程。上述里程段除了K53+344、K53+326里程外，其余的均表現為負的強反射特征，由此推測負的強反射界面處為斷層破碎帶、裂隙密集帶，斷層影響帶寬約22m。在K53+338～K53+326里程段橫波反射強于縱波，有裂隙水的可能，建議圍巖級別為Ⅳ級；

3） K53+326～K53+290,長36m，縱波速度基本不變，橫波速度有所上升，均為正反射，推斷該里程段圍巖基本完整，無地質病害，建議圍巖級別為Ⅲ級；

4）K53+290～K53+268,長22m，該里程段縱波速度有所下降，速度低于3000m/s，橫波速度有升有降，縱波和橫波主要反射界面水平夾角與垂直傾角分別為：77°與87°和85°與73°。 該里程范圍內共有4條中等反射界面，其中在K53+287、K53+277和K53+270里程為負反射。由此推斷負的中等反射界面為裂隙密集帶，寬度約7m，建議圍巖級別為Ⅳ級。

3.2.2 地質雷達預報

由TGP預報結論可知，K53+354～K53+326段巖體性質較差，有斷層，裂隙密集帶、裂隙水存在，當開挖至K53+356時，采用地質雷達對K53+356～K53+326里程段進行短距離預報，準確判斷不良地質體發育位置及其規模。

由圖4可以看出，A區域（K53+353～K53+346）電磁波反射信號頻率呈現不均勻的中低頻信號，同相軸局部存在錯段，呈面狀區域化分布，結合實際地質情況，綜合推斷該里程范圍內節理裂隙密集分布，存在巖體破碎帶，有少量裂隙水，工程性質差；B區域（K53+343～K53+330）存在多條反射信號，有低頻信號出現，呈面狀區域化分布，整體圍巖破碎，穩定性差，富水性較強，建議圍巖級別為Ⅳ級。

圖4 K53+356～K53+326段地質雷達波形圖

3.3 綜合結論

采用TGP長距離預報、地質雷達短距離預報以及結合前期勘察設計資料，以及現場地表補充調查和掌子面地質調查的綜合超前地質預報方法，綜合推斷認為K53+354～K53+326段受F4斷層的影響，巖石蝕變強烈，節理裂隙發育密集，巖體破碎，裂隙水發育，工程性質差，施工時應注意防排水處理，及時跟進支護，以防發生圍巖坍塌。

3.4 實際開挖揭露狀況

實際開挖揭露狀況如圖5、圖6所示。

圖5 K53+351掌子面照片

圖6 K53+336掌子面照片

4 結論

1）地質工作是隧道超前地質預報的基礎，其他預報方法都是在地質的基礎上進行的，只有掌握了整個隧道工程所處的地質環境，才能準確地制定合理的預報方案。

2）物探資料的解譯只有在充分掌握地質資料和高質量物性資料的基礎上進行，才能獲得準確的地質信息，避免物探成果的多解性。

3）根據不同的地質情況、預報效果、預報距離，將不同的預報方法合理搭配、綜合應用。

4）堅持預報結果與開挖揭露情況對比驗證、分析反饋、總結經驗、糾正偏差，以提高預報的準確性。