基于隧道超前地質探測的圍巖分級研究

龍貴云 鄭亮

摘? 要：為探明隧道掌子面前方的圍巖等級以保證后續施工安全，進行超前地質預報是最常用的技術手段。該文以青海加西公路JX-1標互助北山特長隧道為例，依據2種超前地質預報方法即地震波法和地質雷達法，探明隧道掌子面前方的圍巖等級，糾正隧道設計階段圍巖等級不明確的誤差，驗證依靠超前地質探測查明圍巖等級方法的可行性。此方法預測的圍巖等級與開挖情況符合，能夠為后續隧道工程建設提供參考。

關鍵詞：隧道；超前地質預報；圍巖分級；地震波法；地質雷達法

中圖分類號：U45? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0124-04

Abstract： In order to find out the grade of surrounding rock in front of the face of the tunnel to ensure the safety of subsequent construction， advanced geological prediction is the most commonly used technical means. Taking Huzhu Beishan extra-long tunnel of Jiaxi Highway in Qinghai Province as a case， according to two advanced geological prediction methods， namely seismic wave method and geological radar method， this paper finds out the surrounding rock grade in front of the tunnel face， corrects the error of unclear surrounding rock grade in the tunnel design stage， and verifies the feasibility of relying on advanced geological exploration to find out the surrounding rock grade. The surrounding rock grade predicted by this method is consistent with the excavation situation， which can provide reference for the follow-up tunnel construction.

Keywords： tunnel; advance geological prediction; surrounding rock classification; seismic wave method; geological radar method

隧道建設中圍巖分級工作貫穿設計、施工全過程中，對于隧道安全施工具有重大意義。在設計階段，技術人員依據前期勘察資料劃分隧道圍巖等級，但是受制于自然地質情況復雜、不良地質狀況深埋地下，以及工程前期勘察技術限制，對實際的地質情況很難做到完全掌握，以及對隧道沿線不良地質情況準確揭示，因此，實際的隧道圍巖等級與設計劃分的圍巖等級存在出入。根據隧道施工過程中實施的超前地質預報獲得的資料，綜合工程人員掌握的勘察資料及施工經驗判斷掌子面前方的圍巖等級，對于后續隧道施工具有較為重大的意義。

隧道掌子面前方不同級別圍巖的巖性、巖體狀態、巖體空隙等是不同的，利用超前地質預報技術獲取的前方巖體信息，結合前期勘察設計資料，綜合評估前方巖體圍巖等級，能夠較為精確地確定隧道圍巖等級。地震波法超前地質預報通過接收的地震波反射波反映地下巖體情況，預測隧道掌子面前方及周圍臨近區域的地質情況，為圍巖等級判定提供判據。地質雷達法則是通過高頻電信號探測掌子面前方圍巖情況，不同圍巖下電信號的波動情況是不同的。

1? 工程概況

互助北山特長隧道位于青海省互助土族自治縣，起點位于元圃溝，終點位于柏木峽口，隧道軸線總體走向為 97°19′54″，為分離式隧道，測設線間距約26.0～30.0 m，隧道左、右線均位于直線段上。隧道左右洞里程分別為ZK32+463～ZK43+640、K32+492～K43+618，長度分別為11 177、11 126 m。按隧道分類屬特長隧道，隧道洞底最大埋深約769 m。隧道進口端左線 ZK36+900附近設置1#斜井，分別對左、右線進行送排風；斜井洞口外接設地面風機房及控制室、風塔；1#斜井全長1 072 m，斜井底部通過聯絡風道與主洞相連。在隧道出口端右線K40+540附近設置2#斜井，2#是左線排煙口和右線通風口通道；斜井洞口外接設地面風機房及控制室、風塔；2#斜井全長1 438 m，斜井底部通過聯絡風道與主洞相連。

2? 基于超前地質預報的圍巖分級

青海互助山北特長隧道超前地質預報入口段及出口段使用地質雷達探測，隧道中段使用地震波法探測儀器，使用了2種超前地質預報儀器：基于地震波法的TGP-206和基于地質雷達法的SIR-4000。

2.1? 隧道地震波法超前地質預報

探測中使用的隧道超前地質預報儀是國產的TGP206（如圖1所示），TGP206隧道超前地質預報系統包括儀器主機、配件和處理軟件3部分。

隧道地震波法是利用地震波在地下不同巖層中傳播的波形特征生成地震波圖像，依據圖像分析地質狀況。地震波震源采用小藥量炸藥在隧道邊墻的風鉆孔中激發產生，激發炮孔位于隧道側壁，炮孔數一般為24個，激發炮點越多，獲得的地質信息越多，但處理時間也越長，一般根據需要掌握的探測距離來擬定炮點數量。地震波接收器在隧道左右壁接收不同點位的地震反射波。地震波在向掌子面前方運動，遇到異常地質界面時部分地震波反射回接收器，一部分信號繼續進入前方巖體繼續傳播，在傳播過程中重演著反射與透射的不斷過程，各反射回波在接收時間上存在間隔，通過時間間隔表征巖層距離，通過波形分析判斷巖體形態，可以較為精確地探測巖體信息。

2.2? 地質雷達法超前地質預報

青海互助山北特長隧道超前地質預報地質雷達采用美國GSSI公司產SIR-4000地質雷達系統（如圖2所示），配合使用100 MHz接地耦合天線，采用間隔觸發、連續接收的收發方式，天線每秒掃描100次；試驗探測表明，介電常數取6，波形疊加次數定為16 次的效果比較好，在不存在重大干擾的情況下，數據處理盡量采用相同或類似的方式。實際開挖表明地質雷達有效探測距離為30 m。

地質雷達是利用不同地下巖體反射的電磁波信號不同，通過分析電磁反射信號分析巖體情況的儀器，其理論基礎為高頻電磁波理論，雷達天線發射高頻電磁波進入地下巖體，經巖體分界面和斷層破碎帶等反射后返回地面被接收天線所接收，分析電磁波反射信號特征可以得到地下巖體的有關信息（比如節理、裂隙、斷裂等）。從雷達顯示的圖像看，當反射波由完整巖層面反射回來時，反射波波幅較大，同相軸數量較少，波形完整，之后的圖像進入平穩狀態，統計的同相軸數量規律見表1；反之，若目標體中存在斷層破碎帶時，雷達的接收信號圖則波幅小、波形雜亂無章，同相軸數量多。

2.3? 隧道圍巖分級

由前期地質勘察獲取的數據，對隧道各類巖體進行圍巖分級，依據JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范》中相關規定，隧道圍巖可按照圍巖基本質量指標BQ或修正值[BQ]進行劃分

BQ=100+3Rc+250Kv，? ? （1）

式中：Rc為巖石單軸飽和抗壓強度值，Kv為巖體完整性系數。

圍巖分級結果見表2。

3? 應用實例

3.1? 工程地質推斷

通過已有的區域地質調查資料、前期勘察資料，以及對隧道軸線走向和掌子面工程進行地質調查，了解隧道建造區地質構造，借助地質學經驗原理，合理推測掌子面前方一定范圍內的圍巖情況。

3.2? 地震波法探測

以互助北山特長隧道K40+003掌子面為例，進行地震波法超前地質預報圍巖分級。此次預報使用國產的TGP-206探測儀和配套軟件，對青海加西公路互助北山特長隧道JX-1標此方法得出的基礎圖像如圖3和4所示。采集的地震波數據包括P波、SH波，以及SV波的波速、接收時間、波形等信息。依據采集的數據進行計算和分析，主要工作步驟包括雜波過濾和背景聲去噪、各炮點采集時間取均值、各類地震波圖像分離（反射波提取、縱橫波分離）、傳播時間數據提取和地震波各型波（P、SH、SV）速度分析后得到隧道掌子面前方的巖層面和不良地質體信息，探測器配套軟件計算地質體的厚度、產狀、距離等信息。圖3為原始波形記錄圖及綜合分析圖，圖4為縱波相關的成果圖及橫波相關的成果圖。依據所得圖像進行后續分析。

由綜合地質預報成果圖、P波、SH波和同側綜合預報成果圖分析得出，在K40+003～K39+853里程段的150 m范圍內預報結論：本地質單元圍巖以斷層破碎帶及灰黑色片巖為主，隧道圍巖縱波波速同側波動頻繁，對側在K39+940附近略有波動，其余基本穩定。推斷本地質單元巖體與測量段接近，K40+003至K39+853之間存在斷層破碎帶，主要以灰黑色片巖為主，強、中風化巖體，裂隙發育，巖體破碎，小型裂隙帶多發，巖層較松散，黏結性較差，遇水易掉塊、坍塌。建議按Ⅴ類圍巖施工，控制巖體開挖進尺，及時跟進支護，注意施工安全。

3.3? 地質雷達探測

應用美國SIR-4000型地質雷達對青海加西公路JX-1標互助北山特長隧道ZK41+542.8段進行超前地質預報，得到的探測圖像如圖5所示。

在地質雷達獲取的圖像中，通過圖像的同相軸的數量和分布特征大致可以判斷掌子面前方圍巖的等級。同相軸的連續性越差，圍巖等級越高；波幅變化越大，波形分散、錯斷越多，圍巖等級越高。同時，同相軸的數量越多，大致表面圍巖等級越高。

由探測圖像及掌子面記錄可知，掌子面前方與當前開挖地質條件存在階段性差異，存在較為明顯的不同巖體間交替分層特點，巖體仍為強風化片巖與坡積土混合體，以黑色片狀灰巖為主，圍巖穩定性條件差。測線1掌子面前方8～15 m巖體強度較差，測點2和測點3數據較為一致，前方15～20 m區間巖體較開挖段差，存在局部巖石破碎、強風化，伴有裂隙水發育。綜合三點位勘測結果看，本次地質超前預報段為Ⅴ類圍巖，因此，在開挖過程中應適當注意，加強支護。

通過對青海互助山北特長隧道的8個隧道施工掌子面進行超前地質預報，結合地質分析法綜合分析，得出的圍巖分級結果見表3。

4? 結論

1）綜合使用地震波法和地質雷達法獲得的圖像資料，結合地質推斷法，進行隧道圍巖快速分級是可行的，修正了隧道圍巖等級與前期設計不吻合的情況，為隧道支護設置和施工方案的調整提供了科學依據。

2）掌子面地質信息結合超前地質預報信息進行圍巖快速定級需要結合工程進度進行，不同隧道施工區結合不同的超前地質預報手段。

3）隧道掌子面地質情況的分析和根據超前地質預報的圖像分析前方圍巖等級需要工程師一定的經驗，以保證圍巖等級的準確性。

參考文獻：

[1] 宋先海，顧漢明，肖柏勛.我國隧道地質超前預報技術述評[J].地球物理學進展，2006（2）：605-613.

[2] 李術才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢[J].巖石力學與工程學報，2014，33（6）：1090-1113.

[3] 姚軍，王睿，夏道洪，等.隧道圍巖分級研究進展綜述[J].公路，2021，66（8）：367-372.

[4] 張平松，吳健生.中國隧道及井巷地震波法超前探測技術研究分析[J].地球科學進展，2006（10）：1033-1038.

[5] 王振宇，程圍峰，劉越，等.基于掌子面編錄和地質雷達的綜合超前預報技術[J].巖石力學與工程學報，2010，29（S2）：3549-3557.

[6] 王明年，劉大剛，劉彪，等.公路隧道巖質圍巖亞級分級方法研究[J].巖土工程學報，2009，31（10）：1590-1594.

[7] 劉新榮，劉永權，楊忠平，等.基于地質雷達的隧道綜合超前預報技術[J].巖土工程學報，2015，37（S2）：51-56.

[8] 劉佑榮，唐輝明.巖體力學[M].武漢：中國地質大學出版社，2008.

[9] 中華人民共和國交通運輸部.公路設計隧道規范：JTG 3370.1—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

[10] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.工程巖體分級標準：GB/T 50218—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.