綜合超前地質預報法在構造區隧道中的應用

黃智海 黃保勝

摘要：為確保隧道開挖的安全性，降低地質災害的概率和破壞程度，開展隧道施工超前地質預報工作是目前最有效的方法。文章采用地質調查法和TSP地震預報法在某構造區隧道進行綜合超前地質預報應用研究，并進行了開挖結果驗證分析。研究結果顯示：穿越構造區的隧道圍巖軟硬程度分明，結合地質調查的TSP地震預報法結果能很好地反映軟弱巖帶及破碎帶等不良地質體位置;采用地質調查法和TSP地震預報法的綜合超前地質預報法在構造區隧道施工超前地質預報中是實用的和有效的。

關鍵詞：構造區;地質調查法;TSP地震預報法;綜合超前地質預報法

0 引言

隨著高速公路網建設不斷推進，新建高速公路越來越向偏遠山區發展。隧道是跨越崇山峻嶺的最有效方法，因此不斷出現大量隧道建設[1]。隧道區址構造發育、地質情況復雜是目前山區隧道建設中經常遇到的難題。隧道建設過程中往往由于隧道區址地形地貌復雜導致無法進行有效的前期勘察，施工單位只求進度盲目施工，加上客觀地質情況復雜多變等等因素導致出現突水突泥、冒頂崩塌等工程事故，甚至進一步引發地表塌陷、建筑物下沉及破裂、地下水枯竭等嚴重生態環境問題，對隧道施工安全、人民及財產安全造成了極大的影響[2-4]。為了更詳細具體地探測查明隧道開挖面前方的水文地質和工程地質情況，指導工程建設的順利開展，降低地質災害的概率和破壞程度，為優化工程設計提供地質依據，開展隧道施工超前地質預報工作是目前最有效的方法。隧道施工超前地質預報方法分為物探類和地質類方法。地質類方法主要有超前鉆探法、超前導坑預報法和地質調查法等[5-7]。地質調查一般為超前地質預報必做內容。隧道施工超前地質預報應用較多的物探方法主要有地震波法和電磁法[8-11]。地震波法主要為TSP/TGP地震預報法、TRT地震反射層析成像法等;電磁法主要為GPR探地雷達法和TEM瞬變電磁法。TSP是地震波發射法的其中一種，具有較大的預報長度，對隧道施工干擾小，對軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等不良地質體預報靈敏，是整體把控隧道掌子面前方地質災害風險的重要手段，這也是TSP較電磁法具有的獨特優點，在國內外隧道建設中廣泛應用。本文通過采用地質調查法和TSP地震反射法的綜合地質預報法在構造區隧道進行超前地質預報，探討預報效果并與開挖結果進行比對分析。

1 地質調查法

地質調查法是以隧道工程地質勘察、洞內外地質觀察素描等資料為基礎，將隧道開挖所揭露的地質構造、地層巖性、不良地質、地下水出露等地質情況準確記錄下來并繪制成圖表，使用趨勢分析、地質作圖和常規地質理論等技術手段進而判定隧道掌子面附近圍巖的完整性、穩定性和推斷掌子面前方一定范圍內將會出現的地質情況。

2 TSP地震預報法

TSP地震預報法是一種多波多分量高分辨率地震反射法[2]。在設計的震源點用小量炸藥激發產生地震波，為了能夠接收到有效的反射波通常將震源點布置在地層或構造的走向與隧道軸向相交成銳角的邊墻上，大約24 個炮點。在巖石波阻抗存在差異的位置（如巖性變化、斷層和破碎帶等）時，有一部分地震波會反射回來，有一部分地震波會透射進入前方介質繼續向前方傳播。具有高靈敏度的加速度地震傳感器將接收并以數字形式記錄下來反射回來的地震信號，采用專門的數據處理軟件進行數據處理，結合隧道勘察資料、洞內外地質調查結果，綜合分析隧道工作面前方地質體的性質（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）、位置及規模[2]。

TSP地震預報法數據現場采集工作主要包括：根據隧道現場具體情況合理靈活布置觀測系統，按照設計要求規范鉆孔、安裝套管，通過試驗或根據經驗進行炸藥裝填，儀器連接與測試，噪音檢查，進行數據采集。

TSP地震預報法數據處理的內容主要有[5]：根據探測目的長度設置數據長度、帶通濾波去除噪聲干擾、初至拾取及拾取處理獲取直達波速、炮能量均衡進行能量補償、Q因子估算、反射波提取、縱橫波分離、速度分析、深度偏移、反射層提取等。其中Q因子估算、速度分析等環節尤為關鍵。

目前很多從業人員解譯TSP結果原則千姿百態，這是因為TSP結果中幾個巖石力學參數可能存在互相矛盾之處，比較成熟可靠的還是根據縱波波速推斷前方地質情況。綜合較多文獻及實際工作經驗，本次結果解譯主要采用最為穩妥的縱波Vp進行地質解譯。

3 實例應用

3.1 工程概況及地球物理特征

百布隧道位于靖西縣地州鄉樂村百布屯，為連拱隧道。隧道區屬巖溶峰叢谷地地貌，山峰陡峻高大，地形起伏較大，山體連綿起伏。擬建隧道穿越一山體，谷地和山頂高程為759～873 m，相對高差約115 m，最大埋深約90 m。隧道兩端為灰巖出露區，中間為頁巖出露區。進口段為一坡積裙，覆蓋殘坡積黏土、塊石等，斜坡自然坡角為20°～25°。出洞口段山體斜坡自然坡角為40°～45°。地表植被一般發育，主要為松木、雜草、灌木等。隧道區場地覆蓋層主要為第四系殘坡積層黏土和粉質黏土覆蓋，基巖有三迭系下統羅樓組灰巖和三迭系中統平而關群頁巖，山體基巖出露完好灰巖和零星頁巖。場地內褶曲發育，巖層產狀多變，灰巖與頁巖二者為平行不整合接觸關系。隧道約2K21+220～2K21+350段位于上屯向斜核部，受向斜構造影響，該段巖層褶曲發育，巖體極破碎。由上述可見：隧道洞身圍巖完整性主要受巖性和地質構造控制，隧道穿越一套完整向斜地層，圍巖風化、破碎、裂縫發育程度等方面存在明顯差異，從而導致圍巖波速存在明顯差異，為TSP應用提供了物性基礎。

3.2 地質調查

隧道約2K21+220～2K21+350段位于上屯向斜核部，受向斜構造影響，該段巖層褶曲發育，巖體極破碎。本次超前地質預報掌子面里程樁號為2K21+250，掌子面素描圖見圖1。巖性主要為深灰色中風化頁巖，粉砂質結構，頁理構造，巖質軟，節理裂隙極發育，巖體破碎-較破碎，巖體開挖易發生層狀剝離松動，易剝落掉塊，圍巖無自穩能力。調查時掌子面呈稍濕狀，未見明顯滲水。隧道出口前方約70 m為自西向東橫切測區的隴金逆斷層，斷層走向為300°，傾向為南西，傾角為30°～50°。受該斷層影響，隧道出洞口灰巖被擠壓切割呈塊狀、巨塊狀。隧址區的巖溶地下水類型主要為管道-裂隙型，主要接受大氣降雨入滲補給，區內地下水位處于隧道底板以下，水量不豐富，一般情況下隧道施工不會發生突泥、突水地質災害。但是由于有斷層構造和巖溶不良地質存在，不排除由于雨季施工時區內地下水補給量的增大，從而引發突泥、突水地質災害。

3.3 綜合超前地質預報法結果

本次TSP地震波反射法探測接收器位置布置在中導洞2K21+185，2個三分量接收器分別位于中導洞左、右邊墻，設計24個炮孔，位于中導洞左邊墻，炮孔間距約為1.5 m，2D預報成果見圖2，由掌子面向大里程方向進行預報。綜合地質調查結果，預報結果分析如下：

（1）掌子面前方0～46 m（2K21+250～2K21+296）范圍縱波速整體相對較高，局部降低，橫波波速整體較低，局部有波動，縱橫波速度比和泊松比多在正常值范圍。推斷該范圍為與掌子面情況相近，巖性為中風化頁巖，巖體較破碎-破碎，巖體裂隙較發育-發育，地下水弱發育。圍巖整體穩定性較差，詳細定級為Ⅳ級。

（2）掌子面前方46～80 m（2K21+296～2K21+330）范圍縱波速整體較低，局部急劇降低，橫波波速整體較高。推斷該范圍為隧道區向斜構造的核部，巖性為中風化頁巖，受向斜構造及斷層構造的影響，節理裂隙極發育，巖體極破碎，地下水較發育。圍巖穩定性極差，詳細定級為Ⅴ級。

（3）掌子面前方80～104 m（2K21+330～2K21+354）范圍縱波速度增大，橫波波速整體較高，縱橫波速度比和泊松比增大。推斷該范圍為巖層接觸帶，巖性為中風化頁巖、灰巖，受向斜核部及巖性接觸帶共同影響，巖體破碎-極破碎，裂隙發育-極發育，巖溶較發育。圍巖自穩能力差-極差，詳細定級為Ⅴ級、局部Ⅳ級。

（4）掌子面104～128 m（2K21+354～2K21+378）范圍縱波速降低，橫波波速較高，縱橫波速度比和泊松比在合理范圍。該范圍為隧道出口淺埋段，巖性為中風化灰巖，局部夾土，受隧道出口前方隴金逆斷層影響，巖體以巨塊狀、塊狀結構為主，裂隙極發育，巖體極破碎，掘進開挖時巖體松動位移、掉塊。圍巖自穩能力極差，詳細定級為Ⅴ級。

3.4 開挖驗證

本次預報范圍內隧道穿過向斜核部及巖性接觸帶，該處圍巖的軟硬程度、破碎程度、裂隙發育程度等與相鄰段圍巖有著顯著變化。通過預報結果與開挖結果分析，驗證超前地質預報的效果。2K21+312掌子面巖性為強-全風化頁巖，淺黃-灰黑色，薄層狀構造，巖體極破碎，節理裂隙極發育，質軟，遇水松散軟化，巖層傾向較陡，圍巖穩定性極差。開挖結果表明2K21+312前后段為向斜核部及巖性變化過渡帶，與綜合超前地質預報法2K21+296～2K21+330段縱波波速顯著降低結果一致吻合，對應性非常好。施工單位根據綜合超前地質預報結果在該段提前把開挖方法由全斷面開挖變更為環形開挖留核心土法，采用短進尺、強支護施工方法，避免了坍塌等不良地質災害的發生，有效地保證了隧道開挖掘進的安全性。

4 結語

（1）構造區隧道圍巖地質完整性存在明顯差異，采用地質調查法和TSP地震預報法的綜合超前地質預報法能很好地反映軟弱巖帶及破碎帶等不良地質體位置，在構造區隧道施工超前地質預報中是實用的和有效的。

（2）采用地質調查法和TSP地震預報法的綜合超前地質預報法進行長距離預報，整體把控風險是可行的，在進行地質解釋時尤其要注意與已知地質資料相結合。

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