地質超前預報在龍昌隧道中的應用

陳加寶 馬建云 郭 磊 趙懷川

（中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710075 ）

1 工程概況

龍昌隧道項目工程是黃貴高速沿線公路第一期重點控制性建設工程之一，位于黔南州福泉市仙橋鄉和龍昌鎮境內。隧道長度設計為分離式雙向六車道，左線長度2162 米，右線長度2273 米，凈寬為14.75m（加寬段凈寬17.75m），高5m。圍巖等級多為Ⅳ、Ⅴ級，且礦山隧道區域內存在不良地質侵蝕，如礦山巖溶、采空區及礦山煤層瓦斯等不良侵蝕地質，安全隱患較多，隧道建設施工難度大。場區風貌地處貴州高原東部高山斜坡山谷河谷地帶，受高山溶蝕-洪水侵蝕過程影響，地形氣候條件復雜，屬淺梯度切割的溶蝕-洪水侵蝕低洼低山斜坡地貌。隧道結構洞身穿越地段以紅石灰巖、白云巖砂巖為主，最大埋深140m，以Ⅳ級圍巖為主。從公路隧道內部經過各個地段具體的地勢滲水情況推斷，本路段隧道主要工程地質問題為隧道橫向涌突水。

2 超前地質預報方法

為準確探測隧道工程在開挖施工時掌子面前方的地質情況，對不良地質體及可能同時出現的地質涌水現象進行及時有效的預報，超前地質預報技術的應用是必不可少的。目前國內外技術使用較為廣泛的主要有地質分析、鉆探技術、地球物理探測技術等[1]。其中，國內外廣泛用于超前地質預報的物理探測技術主要有地震波反射法、瞬變電磁法、紅外探測法、地質雷達法等。

地質探測雷達由監測主機、天線和配套監控軟件等幾個部分系統組成，根據脈沖電磁波探測在有耗介質中的高速傳播運動特征，發射器和天線向被測有耗介質發射高頻率脈沖反射電磁波，當電磁波遇到內部不均勻體（界面）時，會自動反射一部分脈沖電磁波，雷達監控主機通過對此部分的高頻反射電磁波信號進行實時接收并處理，達到實時探測識別該目標物體的主要目的。如圖1 所示，Tx，Rx 分別為地質探測雷達的預報發射與傳送接收部分，對于發射接收器接收到的不同區域地質狀況的預報信息進行綜合處理以及分析，從而便于進行地質情況預報工作。地質災害預報雷達具有精度高的分辨率、無損性、高效率、抗干擾能力強等四大特點，被廣泛應用于建筑工程質量安全檢測和自然地質災害預報中[2]。

圖1.地質雷達原理示意圖

隧道反射地震波超前預報的探測原理是利用地震波反射與繞射原理，實時有效的對掌子面前方復雜的地質條件進行探測。利用相關的設備采集隧道圍巖中界面產生的由震源傳播并反射回來的地震回波，并對其界面振動位置、空間分布狀況、回波振動極性和反射能量等信息進行定量分析，可以對隧道掌子面前方100-150m 處的地質情況實現隧道地質超前預報。

本文根據實際工程技術使用情況，主要采用超前地質雷達預報探測方法與TGP206G 隧道地質超前預報系統（TGP 即Tunnel Geology Prediction）相結合的雷達探測方法進行龍昌隧道的超前地質預報探測。

3 超前地質預報應用

3.1 預報采集工作

數據采集處理工作包括：主動激發孔和主動接受孔的數據布置、藥卷同步監測信號采集制作、接受裝置探頭安裝、儀器數據采集及各參數設置和隧道施工現場地質狀況調查5 個內容。

1）主動激發孔選擇在隧道構造界面與隧道夾角較小的一側洞壁，距離掌子面3-5 米開始，高度1.2 米，以2 米間距連續布置23 個。之后退25 米在隧道左右洞壁的相同里程各布置一個接受孔。接受孔與激發孔深度為2 米，接受孔為水平孔，激發孔略向下傾斜以便于注水。

2）炸藥激震的同步信號采取傳統的開路觸發同步方式，以便于有效保證地震波信號的時間精度。

3）接受的探頭全部采用定向安裝工具進行安裝并且采用黃油直接耦合鉆孔壁，這樣大大提高了無線接收探頭接收信號的信噪比。

4）儀器記錄采樣長度參數的分檔設置的使用原則：軟巖采樣率選擇0.1ms 檔，硬巖采樣率選擇0.05ms 檔，通過采樣選擇確定采樣率的點數來保證地震監測記錄的采樣長度不小于200ms。

4 TGP 數據處理結果與分析

采用超前地質預報系統可以得到以下數據圖：

（1）地震波三分量原始記錄圖

（2）巖體比速度參數成果圖

（3）斷面幅度比正負峰值沿里程分布圖

對預報分析：1）可以從地震波的原始三分量記錄中看出：縱波的同相軸是初至明確；橫波的同相軸的幅度、頻率及同相軸的速度與縱波存在明顯的差異，因此縱橫波可以清晰的分離。2)TGP 系統利用開挖暴露出的巖體條件作為預報分析的基礎。通過地震波的三分量原始記錄的測量結果計算獲得該區域測量段的巖體參數，反映出測量段巖體的彈性的特點。

本次測量段巖體的彈性參數如下：

?

3.2 TGP 預報系統

采用TGP 預報系統對龍昌隧道右線掌子面YK59+444 進行超前地質預報，長度為120m。當前掌子面露出的巖體狀況主要以中風化的白云巖為主，向前破碎結構，節理裂隙較發育，巖體較破碎，掌子面較濕潤，整體穩定性較差。通過對TGP 隧道地質超前預報結果的分析，將掌子面前方120m 劃分為5 個區段。

1）YK59+444 至YK59+462 段，長度18m，圍巖主要以白云巖為主，估算巖體速度比測量段巖體速度較當前掌子面相等，推測本段圍巖接近當前掌子面圍巖，完整性較差，巖體呈中風化狀態，鑲嵌破碎結構，巖體較破碎，建議依照當前的設計情況施工。

2）YK59+462 至YK59+474 段，長度12m，圍巖以白云巖為主，估算巖體速度比測量段巖體速度較當前掌子面低，推測本段圍巖較當前掌子面圍巖差，隧道整體圍巖節理裂較發育，鑲嵌碎裂結構，巖體較破碎，整體穩定性較差。其中YK59+468 斷面向右偏離22m 巖體破碎，由于異常區相對輪廓內較遠，對隧道的影響可以忽略，另一個異常區處于YK59+474 斷面向右偏離2m 的位置，故開挖時嚴格控制，建議在此病害附近加強支護，并在YK59+474位置向右鉆孔驗證，深度4m。

3）YK59+474 至YK59+498 段，長度24m，圍巖主要是白云巖，估算巖體速度比測量段巖體速度較當前掌子面低，推測本段圍巖較當前掌子面圍巖差，隧道巖體完整性較差，巖體呈中風化狀態，鑲嵌破碎結構，巖體較破碎，建議按照當前設計進行施工。

4）YK59+498 至YK59+520 段，長度22m，圍巖主要是白云巖，估算巖體速度比測量段巖體速度較當前掌子面低，推測本段圍巖較當前掌子面圍巖差，圍巖節理較發育，鑲嵌破碎的結構，巖體較破碎，整體穩定性較差。其中YK59+504～YK59+520 段落，可以推斷前方存在有構造和巖層破碎風化的可能性，以及有巖溶發育的可能。建議在此段內施工時加強支護，以免發生坍塌。

5）YK59+520 至YK59+564 段，長度44m，圍巖主要是白云巖，估算巖體速度比測量段巖體速度較當前掌子面低，推測本段圍巖較當前掌子面圍巖差，隧道巖體完整性較差，巖體呈中風化狀態，巖體較破碎，局部可能存在巖層破碎及風化，建議在此段內施工時加強支護。

3.3 地質雷達探測

采用地質雷達探測預報法，對龍昌隧道的進口右線掌子面YK59+505 ～ YK59+525 進行地質預報復測。雷達探測預報選用瑞典MALA 公司生產的MALA-X3M 型地質雷達，沿測線進行數據采集，并得出雷達反射剖面。

當前掌子面露出的巖體狀況主要以中風化白云巖為主，呈鑲嵌碎裂狀結構，節理裂隙較發育，圍巖較破碎，拱部滴水，圍巖自穩能力較差。測線1掌子面前方0～3m（YK59+505～YK59+508）、6～9m（YK59+505～YK59+508）局部振幅較強，信號的同相軸連續性較差，初步判斷此區域局部存在少量軟弱夾層或裂隙水軟發育。測線2 掌子面前方2～6m（YK59+507～YK59+511）局部振幅強度較大，信號的同相軸連續性較好，初步判斷該區域局部存在少量軟弱夾層或裂隙水軟發育。該區域施工過程中需注意巖體的變化，開挖容易產生掉塊、坍塌，雨季開挖可能產生突泥和涌水。

4 結論

本工程采用不同的地質超前預報方法對地質情況進行勘探。地質超前預報可以更準確的預報當前的地質情況，為施工提供了有效的依據。TGP 預報系統可以對掌子面前方120m 范圍內的地質情況進行預報，可以預報更遠的距離。對于異常區域或者深度較深的區域，可以采用分辨率較高、無損的地質雷達進行有效的預報，以獲到更準確的預報結果，保證施工安全，排除隱患，提高工作效率。