動態超前地質預報技術在高風險隧道中的運用

李義圭 楊 喬 霍小云

(1.九江學院建筑工程與規劃學院，江西九江 332005;2.佛山市佛清從高速公路有限公司，廣東 佛山 528225)

1 概述

為了響應長江經濟帶和西部開發政策的進一步落實，重慶市委、市政府將公路建設作為重點來抓，并對重慶市內高速公路進行了規劃，形成“三環、十射、三聯線”的格局。重慶地處我國西南地區，以山嶺為主，自古素有“山城”之稱。山城需要修建更多隧道來縮短公路里程;往往隧道是公路建設的重點和難點工程。高風險隧道的地質情況與其長度、跨徑、水文條件等因素有關。為了保證隧道安全施工，提高施工效率，控制工程成本;對高風險隧道進行超前地質預報是必不可少的工作。

2 常用超前地質預報方法的特點

隧道地質預報分為長距離預報(預報長度30 m～150 m)和中距離預報(預報長度6 m～30 m)以及短距離(預報長度小于6 m)預報，隧道地質預報應以地質分析為基礎，其他方法根據施工情況進行動態校核，見表1。

表1 常用的超前地質預報方法的特點

2.1 地質分析法

地質分析法是隧道超前地質預報體系中最重要的技術。根據隧道勘察資料和隧道施工過程中掌握地質情況，并對隧道施工的巖性、地質構造、水文地質狀況進行編排分組，采集必要的數據分析。推測未開挖段可能出現不良地質體的工程性質、產狀、位置和規模。通常隧道工程所處的地質環境較復雜，需要經驗豐富地質人員進行分析，提高預報水平。

2.2 地質雷達技術

地質雷達技術(Ground Probing Radar，簡稱GPR)是以地下物質的介電常數和電阻率的差異(如表2所示)為基礎，對地下介質的幾何形態、空間位置進行解釋的電磁技術。通過天線發射以脈沖形式的電波，電波在地下不同介質界面的傳播時，接收天線收集到反射電波頻率是不一樣的，地質雷達數據經處理、分析和解釋，能摸清隧道掌子面前方一定范圍的地質條件。此次禮讓隧道采用瑞典RAMACCUⅢ型探地雷達進行探測，100 MHz屏蔽天線，每次可預報25 m～30 m;當遇到復雜情況應加大探測頻率，可采用超前探孔進一步核實。

表2 常見物質的相對介電常數

2.3 超前鉆探法

超前鉆探法是利用專業水平鉆機對掌子面前方進行鉆探作業，每一次鉆測探孔深度為25 m～30 m，搭接長度以5 m為宜。根據鉆探信息進行詳細記錄并分析，可判斷掌子面前方地層巖性、斷層空洞分布情況、巖石的強度、巖石的破碎程度、涌水壓力和涌水量等情況。但由于鉆探費用高、施工復雜，先經地質超前雷達、TGP等物探方法初步確定掌子面前方存在不良地質段;再進行鉆探驗證，從而選擇正確的開挖方法、注漿參數以及相應的技術參數，從而達到安全可靠、經濟環保。通過超前預報等物探方法初步判斷禮讓隧道ZK14+628存在不良地質現象(涌水、軟弱夾層)，當距不良地質段10 m時采用超前探孔;經開挖后與預報結果基本符合(見圖1)。

2.4 微震技術

微震技術(TGP，Tunncl Geology Prediction)是一種每隔100 m左右探測一次，能無損、可靠、快捷的進行隧道地質預報的探測技術。它是利用隧道高頻地震波遇到不良地質現象(例如斷層破碎帶、采空區或巖溶等)，阻抗差異性，通過專業軟件分析數據并得出預報區域內的巖石力學參數，最后得出掌子面前方與隧道軸線相交及邊界位面的二維、三維成果圖。大致掌握隧道掌子面前方不良地質構造信息。實施樁號:禮讓隧道左右線全長范圍。

圖1 禮讓隧道ZK14+628超前探孔突水

2.5 瞬變電磁法

瞬變電磁法也稱時間域電磁法，簡稱TEM。利用接地線源或不接地回線向地下發射一次電流脈沖磁場的過程，電流脈沖磁場在不同地質體中傳播會產生二次感應渦流場，在一次電流脈沖場的過程中，脈沖電流渦流所產生二次渦流場不會立即消散，會構成一個隨時間衰減的二次渦流場，通過監測二次渦流場，從而探測介質電阻率的技術。因此，我們可以根據接線圈觀測二次場空間分布規律，以確定地下介質的空間形態。其探測深度可達100 m。具備探測深度大、施工方便、滋擾小、效果顯著等優點，使得它在當前的水文地質勘探中成為首選技術。實施樁號:禮讓隧道DK16+100～DK14+100(隧道左、右線)。

2.6 AGI高密度電法

AGI高密度電法是接地電極在地下建立電場的過程，監測不同導電地質體存在時地表電場的狀況，進一步判定地下地質體賦存狀態，使地質問題得到有效解決;可探明施工前方掌子面是否有巖溶和空腔存在。與EH4大地電磁技術探測成果相互驗證。實施樁號:禮讓隧道K16+100～K15+900，K14+950～K15+450。

3 工程概況

梁忠高速公路(梁平至忠縣)是重慶市高速公路規劃布局“三環十射三聯線”中第2聯線重要組成部分。其中禮讓隧道是重慶梁忠高速公路LZ2合同段，全長5 518 m(取左右洞均值)，雙向四車道，屬高風險隧道，也是梁忠高速公路的難點工程。隧道穿越石膏巖、采空區、煤炭瓦斯層、巖溶等多種不良地質洞段，且地勘資料不詳，存在突泥涌水、瓦斯爆炸等風險，被稱為“地質災害的博物館”隧道。

3.1 地形地貌

禮讓隧道區址為溶蝕的背斜向山構造，隧道進口段和出口段為單向自然斜坡地形。隧道穿越區域發育的溶蝕槽谷分為前槽、后槽，前槽地面高程在628 m～689.2 m，坡度:5°～10°;后槽是狹窄的深切槽谷，寬:10 m～30 m，地面高程在 574.1 m～590.3 m，槽谷兩側地形坡度較大，坡度在 30°～55°。

3.2 地質構造

禮讓隧道穿越明月峽背斜，構造呈現北北東～北東向，隧道區無較大的區域性斷裂構造。明月峽背斜位于華鎣山隆褶帶南東邊緣，其背斜軸線平直，向北30°、東延伸，無大彎曲，背斜兩翼不對稱，南東翼陡，傾角57°～80°，北西翼緩，傾角30°～44°，為線性斜歪背斜。兩翼出露地層為侏羅紀中統新田溝組，中下統自流井組、下統珍珠沖組、三疊系上統須家河、中統雷口坡組、下統嘉陵江四段地層，背斜軸部為三疊系下統嘉陵江組三段地層。

3.3 水文條件

隧區址三疊系中下統碳酸鹽類分布于背斜軸部，因受兩側碎屑巖所形成的中、低山嶺的夾持，具備有利的巖溶發育條件，形成了特有的隆脊型溶槽谷，巖溶發育與巖型、地貌條件關系密切;巖溶水運動和富集則受地質構造控制。三疊系上統須家河組砂、頁巖，和侏羅紀下統珍珠沖組砂、泥巖分布于背斜兩翼，巖層以傾斜狀態產出，具體形成碎屑巖孔隙裂隙層間承壓水和紅層承壓水良好儲水構造條件。尤其是北西翼為緩翼，為典型的自流斜地，是較富水類型之一。

4 結論

禮讓隧道所處的地質環境復雜，存在多種不良地質體，對地質超前預報提出更高的要求，為了解決不良地質體預報過程中出現的“探不到、探不準、不定量”難題;根據不同災害體采用相適應超前地質預報方法，使探報更為精確，確保禮讓隧道順利貫通。

1)隧道動態超前預報應以“地質分析法”為基礎，地質分析與綜合物探結合，洞內外結合，長短探測結合”為原則，并結合工程實際對各種方法預報結果綜合分析，相互補充、相互驗證，能大大的提高地質預報的解釋精度。2)地質分析是隧道超前預報的基礎，整個地質超前預報核心環節;在溶洞、突水等復雜地質環境下，與超前鉆孔配合使用可提高地質預報精確度。3)“地質分析與綜合物探相結合”是以地質分析為基礎，與多種物探技術進行綜合判定;從而提高勘探精度，減少多解性，才能得到正確的結果。今后隧道信息化施工采用多種超前物探技術會增加其成本，可行性較低，為了不限制物探技術發展，應動態調整物探技術，綜合考慮地質超前預報的經濟合理性及可行性。4)“洞內外結合”是指洞內、洞外預報相結合，并以洞內預報為主。5)“長短探測結合”是在進行粗查長距離探測預報，指導更為精確的短距離探測預報，對比分析長短預報結果，相互印證。6)超前地質預報是勘察設計階段工程地質的后續工作，應進行設計與實際施工的對比分析，總結經驗教訓;合理運用超前預報技術，以不斷提高隧道工程地質勘察水平。