鐵路隧道超前地質預報距離的規劃與實踐

況宇亮，徐營營

(1.江蘇華通工程檢測有限公司，江蘇 南京 210000；2.東南大學建筑設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

1 超前地質預報方法

1994年，Ladislaus Rybach等提出了TSP地震波探測技術[1]。2002年，Rafael Otto等研發了通過超前鉆探、導洞和聲波探測技術[2]。此后，國內隧道超前地質預報研究工作突飛猛進，由最初的引進和借鑒國外先進技術[3-6]，到后來地質雷達法與瞬變電磁法等[7-11]，提出地質素描、物探和鉆探配合，長短距離預報方法共同預報，預報資料和地質分析互相比對的預報思路[12]。而后李術才等進一步闡述了利用地球物理探測定性識別和定量預報不良地質體的空間位置、賦予狀態和填充特性的工作目標[13]。舒森[14]、朱保健[15]、周輪[16]等從各自研究方向分別論述了如何將鉆探、地質分析、地質雷達法、TSP法同施工開挖相結合，驗證預報成果。姜洪亮[17]、蘇濤[18]、袁宗征[19]、蘇森[20]等對瞬變電磁法進行了大量研究，并通過鉆探法驗證預報準確性。李術才[21]等對激發極化法進行了嘗試，測量半衰時之差參數，并研發了隧道超前探測專用激發極化儀器系統。馬金彪[22]、茍德強[23]、周東[24]等在提出了鉆探、紅外探水、地質雷達、TSP多種方法相結合的綜合超前地質預報方法。李術才等還就TBM施工中的超前地質預報方法進行了探討，提出TBM施工環境要求預報定量化、簡單化、快速化、自動化、集成化。汪旭等研究了TBM施工中多元地震干涉法，提出通過長時間疊加反射波能量，來提高合成的反射波圖像的質量。徐磊等將綜合超前地質預報應用于水工隧道中，創新出了同心圓等炮間距垂直反射法觀測系統。王勇等則針對超前地質預報工作實時動態指導施工的需求，提出了基于網絡平臺的隧道超前地質預報快速響應機制。

1.1 超前地質預報常見方法

鐵路隧道施工中常見的超前地質預報方法有：地表補充調查、掌子面素描、洞身素描、加深炮孔、超前水平鉆探、超前導坑、地震波反射法(TSP)、電磁波反射法。

地表補充調查:在設計圖紙的地質勘察資料基礎上，通過實地踏勘隧道區域地表環境，記錄巖層褶皺形態、判斷斷層位置及走向、尋找地表蓄水池及地下水出露點。了解隧址區域的地質條件，運用相關地質理論，對比、分析隧道穿越巖層的工程地質和水文地質情況，識別、判斷施工掌子面前方的可能危險源。

掌子面素描:在施工過程中，采用素描、照相、簡記等方法對每進尺對掌子面地質情況進行連續記錄，旨在掌握已開挖段的圍巖地質情況及變化趨勢。如對照以往地質預報成果和當前實際地質情況，可以用于改進超前地質預報方法。

洞身素描:對已開挖段的洞身兩側及頂面進行地質素描，記錄巖層產狀、節理裂隙、出水點，可以更加直觀地表現沿著掘進方向的圍巖地質變化情況。

加深炮孔:在鉆爆法施工中，若干炮孔采取5°左右外傾并比爆破孔(或循環進尺)加深3～6 m的布置形式，在鉆孔時觀察卡鉆、涌水等情況，預告前方近距離的地質風險。

綜合地質勘查資料、地表補充調查、掌子面素描、洞身素描、加深炮孔等成果，采用地表地質投影法、掌子面編錄預測法。可以根據地層的產出特征、褶皺斷裂、節理裂隙發育規律，推斷前方的圍巖情況，分析掌子面前方可能出現的巖溶、斷層、軟弱等不良地質位置及規模。

超前水平鉆探:是利用水平鉆機在隧道開挖工作面進行鉆探，可以采用沖擊鉆或回轉取芯鉆，鉆孔深度30～50 m，在中等距離上準確預告前方富水、溶巖、瓦斯等地質風險。超前導坑原理與超前水平鉆探相同，可以直接揭露隧道掌子面前方的圍巖地質情況，還可以獲得巖石強度等指標，是最直接有效的超前地質預報方法，缺點是需要長時間占用掌子面，中斷施工循環，影響隧道施工進度。

地震反射法:是應用最早最廣泛的地球物理方法，其特點是通過監測反射的彈性波，對掌子面前方彈性變化明顯的異常體分辨率較高。但缺點是對水和空氣難以區分，無法判斷斷層、巖溶是否含水。瑞士安伯格公司研制的TSP傳感器采用直線布置方式，對與隧道軸線近似垂直的斷層、巖石界面探測效為準確，對于與隧道軸線小角度相交的異常界面識別困難，同時由于無法精確標定掌子面前方的巖石波速，對于異常界面的定位往往不夠準確。

電磁波反射法:也稱地質雷達法，是為了識別掌子面前方的富水情況被引入到隧道超前地質預報領域。對巖層含水區域較為敏感，但預報距離較短(20～30 m)。為了準確定位地下水、同時消除由電磁波衰減造成的遠處分辨率下降，國內外許多機構在上世紀80年代也開始研究鉆孔地質雷達探測技術。但由于鉆孔占用掌子面施工時間，鉆孔地質雷達的應用廣泛程度遠不及常規地質雷達。

1.2 超前地質預報其他可選方法

除了上述常見方法，可選用的超前地質預報方法還有：水平聲波剖面法(HSP)、反射層析成像法(TRT)、陸地聲吶法、瞬變電磁法(TEM)、高分辨直流電法(DC)等等。

水平聲波剖面法(HSP):是由中鐵科研院西南院地質所研發的隧道超前地質預報的技術，有隧道兩側邊墻角布設鉆孔和貼開挖工作面布置兩種工作方式。HSP和TSP同屬于彈性波反射法，原理相似，區別主要在于分辨率和預報距離，HSP分辨率較高，TSP預報距離較長。

反射層析成像法(TRT):采用敲擊振動產生的橫波代替爆破振動產生的縱波，和TSP相比具有較好的理論精度。但受制于隧道施工現場環境各類振動源較多，振動橫波成分復雜，實際應用并不廣泛。

陸地聲吶法:與HSP的貼開挖工作面布置工作方式相似，在掌子面上布置正交測點。陸地聲吶法屬于極小偏移距地震波法，反射波能量集中，能夠提高探測分辨率。對中小規模的溶洞和與隧道軸線小角度相交的異常界面探測效果好。

瞬變電磁法(TEM):是為了探測隧道掌子面前方富水情況，從近地表探測中的瞬變電磁法移植而來。一般采用磁性源向掌子面前方發射激勵場，通過檢測含水區域的感應渦流來探測掌子面前方的地下水分布，最大探測距離約80 m。

高分辨直流電法(DC):源于通過測定巖石電阻率探礦的傳統方法，通過測量計算各測點的視電阻率曲線，對掌子面前方及四周富水風險進行預告。

2 本隧道綜合預報體系設計

天馬隧道位于福建省，連通永春縣和安溪縣，隧址是華南褶皺系一級大地構造區，區域經歷了多旋回構造演化，該范圍內巖漿侵入活動明顯。隧道部分區段凝灰質砂巖存在順層偏壓情況，施工中存在一定坍塌風險。同時，局部夾有炭質泥巖、頁巖，可能有瓦斯等有害氣體富積。斷裂構造主要為源自蕓美斷裂的次級斷裂，巖層受到區域內斷裂構造影響強烈，節理裂隙較為發育。上覆巖質為第四系全新統坡殘積層、坡洪積層的粉質黏土、碎石土及角礫土；下伏基巖包括：侏羅系凝灰熔巖、侏羅系凝灰質砂巖、白堊世花崗巖。隧道開挖可能遇到的地表水和地下水：地表水主要為隧道進、出口附近河水及隧道淺埋段的溪溝水，地下水主要包含第四系巖層孔隙潛水、侏羅系基巖裂隙水。基巖裂隙水則以潛水為主，主要由基巖裂隙蓄水，同時局部有脈狀承壓水在斷裂破碎帶中分布。第四系巖層孔隙水少量分布于區域內的河床、溪溝及兩岸、緩坡地帶，主要由粉質黏土、碎石土及角礫土等組成，孔隙地下水分布區域較小，富水性不高，埋藏較淺，水量較貧乏，受季節性降雨控制，對隧道施工的影響較小。隧道區域地形地貌為低山丘陵，地面起伏較大，海拔220～753 m，相對高差50～430 m，山坡自然坡度5°～40°，隧道進出口位置的土層、全風化層較厚，植被茂盛。根據區域的巖質巖性、構造、水文、地形、地貌條件等進行隧道施工期涌水量估計，按照降水入滲系數法和地下水徑流模數法計算得到隧道涌水量

Qs=15 140 m3/d，Qmax=30 280 m3/d。

天馬隧道穿越斷層破碎帶，地質條件復雜，因此綜合采用了掌子面素描、加深炮孔、地震反射法(TSP)、地質雷達等超前地質預報手段。以上各種方法各有局限又互有優勢，根據木桶效應，需要以地質調查法為核心，綜合利用TSP、地質雷達等物探手段，相互配合、補齊短板。通過以上分析，可以得出“洞內外結合、長短預報相結合”的超前地質預報原則。在設計圖紙的超前地質預報計劃的基礎上，結合上述隧道超前地質預報原則，制定地質構造超前預報流程。

根據上述超前地質預報原則和預報方法，制定天馬隧道超前地質預報工作流程。首先，收集地質勘察和隧道設計資料，研讀辨析找出需要補充調查的區域；然后，利用地表補充調查、地質素描等方法，確定斷層和承壓地下水在隧道掌子面前方大概位置，預測富水段和涌水量；最后，結合掌子面素描、加深炮孔，合理采用地質雷達、TSP等物探手段，安全可靠、經濟合理、省時高效地進行超前地質預報。

3 工程應用情況

3.1 掌子面素描

掌子面素描通過人工現場試驗、觀察，記錄隧道圍巖實際情況，依據規范判定圍巖級別。天馬隧道施工過程中，全長均進行了掌子面素描，記錄了實際圍巖狀況，據此得出各區段實際圍巖級別。將實際圍巖級別與物探法的預報結果比對，一方面驗證物探法是否預報準確，另一方面修正地質勘察結果和地質分析結論。

3.2 加深炮孔

天馬隧道施工過程中綜合圍巖等級和地質構造，將圍巖等級IV級、V級以及有斷層、節理裂隙、巖層角度不整合接觸等區域列為中等復雜地質條件。對于中等復雜地質條件區域，進行了5孔加深炮孔預報。加深炮孔在掌子面布設炮孔時同步進行，施工過程中未發現加深炮孔涌水現象，說明隧道穿越區域地下水貧乏，涌水風險較低。

3.3 雷達法

地質雷達法的優勢在于對掌子面前方富水區域有較高分辨能力，可以預報掌子面前方30 m范圍內的溶洞、涌水風險。天馬隧道穿越區域地下水貧乏，根據地勘資料及設計圖紙要求，僅在洞口段(進口DK396+737～DK396+767、出口DK406+045～DK406+075)及下穿蒲永高速天馬山隧道段(DK400+750～DK401+020)實施地質雷達預報。每次預報距離30 m，為確保安全，兩次預報間重疊5 m，有效預報距離25 m。

3.4 地震波法(TSP)

采用地震波法進行隧道超前地質預報的優勢在于預報距離長，減少超前地質預報工作對施工循環的干擾和中斷。天馬隧道在地質情況中等復雜的區間，廣泛采用地震波法進行超前地質預報。每次預報距離110 m，為確保安全，兩次預報間重疊15 m，有效預報距離95 m。匯總地震波法和雷達法的預報成果，得到各區段物探預報圍巖級別如圖1所示。

4 預報成果及討論

天馬隧道共進行了82次物探預報，其中地震波法68次，地質雷達法14次，預報距離4 550 m。設計地勘資料判斷V級圍巖的軟弱破碎區段共9段，開挖揭露實際圍巖為V級區段僅5段，其中成功預報4處，預報準確率較高。導致漏報風險點出現的主要原因是預報方法單一。由于地下水貧乏，地質雷達法預報效果不夠理想，所以天馬隧道主要采用地震波法進行預報。受儀器性能、現場環境、操作人員水平等限制，單一方法預報準確率不高，如果當初能夠適當配合超前水平鉆法，會取得更好效果。

根據現場圍巖情況，對于圍巖狀況較差區段，縮短了預報距離，其中有效距離35 m的預報16次(探測50 m、疊加15 m)，有效距離65 m的預報32次(探測80 m、疊加15 m)，有效距離95 m的預報32次(探測110 m、疊加15 m)。探測圍巖級別偏差的情況有6次，圍巖變化里程偏差的情況8次，具體匯總如表1所示。

表1 地震波法預報準確率統計表

從上表可以看出，當預報距離接近儀器設備最大有效探測距離(110 m)時，預報準確率會逐步下降，增加漏報、錯報風險。合理規劃單次預報距離、動態調整實施計劃是提高超前地質預報工作準確度的有效措施。

5 結 語

(1)天馬隧道預報的漏報、錯報率控制在25%以內，說明在認真進行地質分析的基礎上，結合長短距離物探方法，采用合理的預報工作體系，可以有效提高速鐵路施工安全性。

(2)當預報距離接近最大有效探測距離時，預報準確率會逐步下降。合理規劃單次預報距離、動態調整實施計劃是提高超前地質預報工作準確度的有效措施。