綜合超前地質預報技術在復雜地質隧道的應用分析

作者簡介：

黃 涵（1989—），碩士，工程師，主要從事市政和交通工程檢測工作。

摘要：針對單一超前預報技術提供的預報信息有限，無法滿足隧道復雜地質段超前預報需求的問題，文章以象來路下田隧道為例，采用地質調查法為基礎、TSP法為主、地質雷達法為輔、超前地質鉆探法為補充手段的綜合超前地質預報技術，對隧道開挖掌子面前方的不良地質體進行了準確預報，所采用的綜合地質預報技術可供類似工程借鑒。

關鍵詞：超前地質預報；地質調查法；地震波反射法；地質雷達法；地質鉆探

中圖分類號：U456.3+3 A 44 139 4

0 引言

隧道工程的前期勘察無法準確探明復雜地質隧道中不良地質體的發育情況，只能通過超前地質預報這一技術手段為隧道施工掌子面前方的不良地質體進行有效、準確的預報。目前國內通用的隧道超前地質預報技術基本為物探法，包括TSP法（地震波反射法）、地質雷達法、瞬變電磁法等［1-5］。但是，物探法一般存在多解性，單一方法的超前地質預報結果的準確性、可靠性受到客觀因素的制約，無法為復雜地質隧道的安全施工提供有效指導。因此，需要結合多種超前地質預報方法，包括地質調查法、超前地質鉆探法［6］等進行綜合預報。通過對多種方法的預報結果進行綜合預判、相互驗證，能夠提高地質預報的準確度，避免隧道前方復雜地質段的不良地質體引發的地質災害。

本文以象來路下田隧道為例，將地質調查法、TSP法、地質雷達法和超前地質鉆探法相結合，對隧道掌子面前方的巖溶發育及填充物等不良地質體進行預報。預報結果與掌子面實際開挖揭露結果一致，證明所采用的綜合超前地質預報技術對提高復雜地質隧道的超前預報準確度有很好的指導意義。

1 超前地質預報內容和方法

1.1 地質調查法

地質調查法是根據施工前期的隧道工程地質勘察資料，結合隧道周邊揭露的地質情況進行系統的地質分析，對掌子面附近圍巖的穩定性進行判定和對掌子面前方的地質情況在一定范圍內進行推斷的方法。

1.2 TSP法

TSP法屬于長距離預報法。其通過引爆炸藥激發地震波，地震波向掌子面前方傳播，遇到由巖性差異變化引起的波阻抗界面時，一部分會反射回來，根據不同波阻抗的地質體產生的反射波特性對隧道前方的地質情況進行預報。因P波和S波對地質體波阻抗的變化較敏感，一般以分析縱波波速（Vp）和橫波波速（Vs）為主。

1.3 地質雷達法

地質雷達法屬于短距離預報法。其通過雷達天線向掌子面前方發射電磁波，當電磁波遇到因巖性變化引起的介電參數差異界面時，就會產生反射現象。通過反射界面的性質和分布情況可推斷掌子面前方的地層巖性、地質構造、不良地質的位置和規模，以及地下水發育情況等。

1.4 超前地質鉆探法

超前地質鉆探法是利用多功能鉆機在隧道掌子面前方進行鉆探，從而獲取隧道掌子面前方地質情況的一種超前地質預報方法，具有預報距離長、客觀性、直觀性的特點。

2 綜合超前地質預報技術

綜合超前地質預報技術采用地質調查與物探相結合、長短探測相結合、物探與鉆探相結合的綜合預報方法，以地質調查法為基礎、TSP法為主、地質雷達法為輔、超前地質鉆探法為補充手段，并相互驗證。

實施步驟為：（1）結合勘察設計資料進行地質調查，確定隧道可能出現的不良地質段；（2）隧道開挖全程采用TSP法進行超前地質預報；（3）根據TSP法預報結果，結合隧道實際開挖揭露情況，對TSP法預報結果的異常段進行地質雷達法疊加預報；（4）綜合地質調查法、TSP法、地質雷達法的預報結果，結合實際開挖情況，對兩種預報結果異常段的重疊部分采用超前地質鉆探法進行驗證，進一步確定掌子面前方不良地質體的發育情況。具體流程如下頁圖1所示。

3 工程應用

3.1 工程概況

下田隧道位于廣西壯族自治區來賓市象州縣大下田村西南側約450 m處，隧道設計型式為分離式中隧道。隧道區地層主要為第四系覆蓋層及泥盆系上統榴江組灰巖，灰色，隱晶質結構，中厚層狀構造，巖質硬，裂隙多以節理裂隙為主。洞身穿越長度＞50 m的山體垂直入滲帶，巖溶極發育，填充物為軟塑土夾孤石，存在突泥涌水的施工風險。

3.2 預報結果及分析

3.2.1 地質調查法預報

本次運用地質調查法的掌子面里程樁號為YK195+571，掌子面素描見圖2。掌子面巖性為灰巖，青灰色，中風化，隱晶質結構，中厚層構造，巖質堅硬，節理裂隙發育，巖體較完整-較破碎，巖層產狀不清晰，圍巖穩定性較好-較差。根據勘察設計文件，YK195+550～YK195+660段圍巖為中風化灰巖，巖石較堅硬，裂隙發育，巖體較破碎，圍巖穩定性差，圍巖等級劃分為Ⅳ級。由此，可推斷出掌子面前方存在不良地質的可能性較大，需采用TSP法進行超前地質預報。

3.2.2 TSP法預報

本次采用的TSP法儀器為瑞士安伯格公司生產的TSP303 Plus。二維預報成果圖見圖3，三維預報成果圖見圖4。綜合TSP法地質調查法，具體預報結果如下：

（1）YK195+571～YK195+610段范圍內縱波波速（Vp）高低起伏，橫波波速（Vs）較低，反射界面較多。推測該范圍內為中風化灰巖，巖體較破碎-較完整，節理裂隙較發育，巖溶弱發育，圍巖自穩能力較差，地下水不豐富。

（2）YK195+610～YK195+620段范圍內縱波波速（Vp）和橫波波速（Vs）較低，反射界面較多。推測該范圍內為中風化灰巖，巖體較破碎-破碎，節理裂隙較發育，可能有小-中等規模的溶洞發育，圍巖自穩能力較差-差，地下水不豐富。

（3）YK195+620～YK195+635段范圍內縱波波速（Vp）較低，橫波波速（Vs）較高，反射界面較多。推測該范圍內為中風化灰巖，巖體較破碎-較完整，節理裂隙較發育，巖溶弱發育，圍巖自穩能力較差，地下水不豐富。

（4）YK195+635～YK195+660段范圍內縱波波速（Vp）高低起伏，橫波波速（Vs）較低，反射界面較多。推測該范圍內為中風化灰巖，巖體較破碎-破碎，節理裂隙、溶蝕裂隙發育，可能有中等規模溶洞發育，地下水不豐富，溶洞有泥質填充物，圍巖自穩能力較差-差。

（5）掌子面前方89～119 m（YK195+660～YK195+690段）范圍內縱波波速（Vp）較低，橫波波速（Vs）較高，反射界面較少。推測該范圍內為中風化灰巖，巖體較破碎，節理裂隙較發育，巖溶弱發育，圍巖自穩能力較差，地下水不豐富。

3.2.3 地質雷達法預報

由TSP預報結果可以得知，隧道右洞YK195+610～YK195+620段、YK195+635～YK195+660段圍巖較差且有巖溶發育。在隧道右洞掌子面施工掘進至YK195+605處和YK195+630處時，均采用SIR-4000型地質雷達進行疊加預報。地質雷達探測結果見圖5和圖6。

綜合地質雷達法和TSP法，YK195+605～YK195+635段的預報結果如下：

（1）YK195+605～YK195+615段（0～10 m）深度范圍反射信號較弱，主要呈中高頻，波形較一致，同相軸較連續。推斷該范圍內巖體較完整-較破碎，節理裂隙、溶蝕裂隙較發育，巖溶弱發育，地下水不豐富，圍巖自穩能力較差。

（2）YK195+615～YK195+620段（10～15 m）深度范圍反射信號較強，主要呈中低頻，波形較一致，同相軸較連續。推斷該范圍內巖體較破碎-破碎，節理裂隙較發育，可能有小～中等規模溶洞發育，圍巖自穩能力較差-差，地下水不豐富。

（3）YK195+620～YK195+635段（15～30 m）深度范圍反射信號較弱，主要呈中高頻，波形較一致，同相軸較連續。推斷該范圍內巖體較完整-較破碎，節理裂隙、溶蝕裂隙較發育，巖溶弱發育，地下水不豐富，圍巖自穩能力較差。

YK195+630～YK195+660段預報具體結果如下：

（1）YK195+630～YK195+640段（0～10 m）深度范圍的反射信號較弱，主要呈中高頻，波形較為一致，同相軸較連續。推斷該范圍內巖體較完整-較破碎，節理裂隙、溶蝕裂隙較發育，巖溶弱發育，地下水不豐富，圍巖自穩能力較差。

（2）YK195+640～YK195+645段（10～15 m）深度范圍的反射信號較強，主要呈中低頻，波形較雜亂，同相軸斷續。推斷該范圍內巖體較破碎-破碎，節理裂隙、溶蝕裂隙發育，可能有中等規模溶洞發育，溶洞有泥質填充物，地下水不豐富，圍巖自穩能力較差-差。

（3）YK195+645～YK195+660段（15～30 m）深度范圍的反射信號較弱，主要呈中高頻，波形較一致，同相軸較連續。推斷該范圍內巖體較完整-較破碎，節理裂隙、溶蝕裂隙較發育，巖溶弱發育，地下水不豐富，圍巖自穩能力較差。

YK195+615～YK195+620段的預報結果和YK195+640～YK195+645段的預報結果均為巖溶發育的異常段，且均在TSP法預報的巖溶發育的異常段內，需要進一步采用超前地質鉆探法進行驗證。

3.2.4 超前地質鉆探法

隧道右洞掌子面施工掘進至YK195+610處時，采用多功能鉆機進行超前地質鉆探，鉆孔位置位于掌子面中部，總鉆進深度為40 m。根據鉆探結果分析，當鉆進深度為6 m時，鉆進速度迅速增加，鉆機扭矩和推進力很小，鉆孔有少量黃泥流出；當鉆進深度為9 m時，鉆進速度減慢，鉆機扭矩和推進力增大，鉆孔內黃泥消失；當鉆進深度為31 m時，鉆進速度迅速增加，鉆機扭矩和推進力很小，鉆孔有大量黃泥流出；當鉆進深度為35 m時，鉆進速度減慢，鉆機扭矩和推進力增大，鉆孔內黃泥逐漸減少。據此判斷，下田隧道右洞YK195+616～YK195+619段掌子面存在巖溶發育，下田隧道右洞YK195+641～YK195+645段掌子面存在巖溶發育并且有泥質填充。

3.3 綜合超前地質預報與開挖驗證

將地質調查法、TSP法、地質雷達法、超前地質鉆探法的預報結果進行相互結合與驗證。最終得出本次綜合超前地質預報的結果，該結果將掌子面前方的圍巖情況按五段進行劃分，其中兩段為巖溶強發育段，其余三段為巖溶弱發育段。經過掌子面開挖揭露情況的驗證，本次綜合超前地質預報的結果與掌子面實際情況基本一致。綜合超前地質預報的具體結果和實際開挖揭露情況對比見表1。

4 結語

（1）任何一種超前地質預報方法都有各自的優劣性，而綜合超前地質預報技術能夠將這些方法進行優勢互補，取長補短，將地質調查法作為理論分析基礎，TSP法作為主要的普查手段，地質雷達法作為輔助的詳查手段，鉆探法作為補充的驗證手段，能夠大幅度地提高超前地質預報的準確性。

（2）隧道超前地質預報工作長期受到物探法預報結果多解性的制約。物探法預報的準確性與超前預報技術人員的主觀經驗、數據的采集質量、掌子面前方圍巖地質情況的復雜程度等相關。本文采用的綜合超前地質預報技術將地質分析理論、物探法、鉆探相結合，能夠有效規避物探法多解性對預報結果準確性的負面影響。

（3）綜合超前地質預報技術在下田隧道的應用取得了良好的效果。該方法能夠準確預報掌子面前方不良地質體的位置和發育規模，為隧道的安全施工提供可靠保障，為隧道的超前地質預報工作提供了一種新的思路，可供其他復雜地質隧道的超前地質預報工作借鑒參考。

參考文獻

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收稿日期：2022-09-26