隧道施工超前地質預報技術及應用探討

黃龍 王智

收稿日期：2024-01-29

作者簡介：黃龍（1994—），男，本科，助理工程師，研究方向：工程技術。

通信作者：王智（1995—），男，本科，助理工程師，研究方向：項目管理。

摘要 為進一步提高鐵路工程隧道開挖施工的安全系數，文章以某山區鐵路工程隧道施工項目為案例，以地震波反射法（TSP）為基礎，對隧道施工各個主要區段進行探測，并根據探測到的地震波形和反射面特征，對上述各個區段的圍巖特征進行了全面分析。在此基礎上，進一步根據現場超前鉆探方法對TSP法的結果進行驗證，結果如下：該次超前地質預測中，共計開展40次預報探測，其中預報結果準確的有29次，相對準確的有9次，不準確的有2次，應用準確率達到95%，說明TSP法獲得較為準確的探測結果。

關鍵詞 隧道施工；超前地質預報；施工技術；應用

中圖分類號 U452.11文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0138-03

0 引言

在當前的新建交通工程中，隧道開挖施工已成為重要的施工內容。由于隧道開挖施工存在較高的復雜性，特別是隧道開挖施工通常會打破原有巖石圈應力平衡，因此施工過程中的風險因素也較為突出。例如塌方、冒頂、巖爆、突水等諸多風險，都會影響隧道施工質量。因此，為有效規避隧道項目風險，關鍵在于應用隧道施工超前地質預報技術，及早發現并解決隧道施工引發的不良問題，對于鐵路工程開展具有重要意義[1]。

1 項目概況

該研究以某新建鐵路工程為案例，該工程項目穿越大量復雜地形，并且需在某路段區間內建設一條單線隧道，該隧道全長約為12.758 km，最小埋深8 m，最大埋深約610 m，整體線路將穿越具有7條斷層結構的灰巖地帶。從前期地質勘察結果分析，該花崗巖地帶存在一定的破碎帶，部分區間破碎帶寬在150 m以上，斷層破碎帶受地域構造的影響較為嚴重，巖體破碎地下水豐富，拱頂、側壁易坍塌，易產生坍塌與集中突水情況，總之工程地質條件較差。因此，建設單位決定應用超前地質預報技術，針對施工環境進行綜合分析。

2 基于地震波反射法的超前地質預報

2.1 隧道圍巖基本分級

開展隧道超前地質預報之前，還要掌握案例工程隧道圍巖情況，選取部分隧道段圍巖情況進行分析，根據路段長度展開設計，可以使超前地質預測方案更加合理，具體如表1所示。

2.2 探測方案設計

該次研究主要采用地震波反射法（TSP）進行，結合該隧道工程設計方案，確定以TSP200超前地質預報系統進行作業，具體步驟如下：

（1）使用直徑50 mm的鉆頭，在距離掌子面約57 m處的隧道兩側邊墻中各打下一個孔深1.8 m的檢波器接收孔，并確保接收孔的相對地面標高和向上傾斜度分別為2.5 m和5 °。

（2）使用錨固劑將檢波器套管黏接在圍巖上，使之與接收孔的標高相同。

（3）在面向隧道掌子面的左側邊墻中，依次打設深度1.5 m左右的爆破孔，其中第一個爆破孔距離接收孔約24 m，垂直隧道邊墻進行布置，保證爆破孔向下傾斜6 °左右，各孔距離地面高度如下：第1～2個爆破孔約2.5 m，第3～10個爆破孔約0.8 m，第11～20個爆破孔約3.5 m。

（4）測線和測點全部布置完成后，將起爆線、檢波器和終端設備進行連接，而后從第20個起爆點開始作業，逐一進行，直至第1個起爆點作業完成為止，在終端設備上對檢測到的信號進行采集。

2.3 探測結果分析

在采集到各個起爆點的信號后，使用TSPwin軟件對原始信號進行處理，得到探測區域各個主要區段的測試結果。

針對該次隧道工程中DK226+009～DK226+129區段的探測結果，具體如圖1所示。

通過分析圖1中的解譯結果，進一步對目標區段進行分段解譯，結果如下：

（1）在DK226+009～DK226+026分段中，縱橫波速度和密度均表現為波動上升的特征，且波動幅度較高，反射面的面積較小。初步推斷，上述特征表明該段圍巖巖質軟硬相間，節理裂隙較發育，巖體較破碎，局部洞段有軟弱破碎結構及溶洞發育。同時，由于該區段P波速度與S波速度的比值同樣波動明顯，因此推斷該區域地下水發育程度較高。

（2）在DK226+026～DK226+129區段中，縱橫波速度和密度的波動不顯著，整體線條較為平直，而反射面面積則高于前述區段，據此初步推斷，該段圍巖主要表現為堅硬巖質，節理裂隙較發育，巖體較破碎，局部洞段結構面發育密集。同時，由于P波速度與S波速度的比值也未見顯著波動，因此可推斷出該區段地下水發育程度較弱，僅存在輕微濕潤的局部巖體。

隨后對DK222+832～DK222+952段的探測結果進行解譯，對該區段進行更為詳細的分析，得到分析結果如下：

1）在DK222+832～DK222+860區段內，表現為縱橫波速度和密度均較為平直的特征，未見顯著波動，且反射面較少，據此推斷，該區段表現為力學性質軟弱和較為破碎的圍巖，節理裂隙發育程度較高，且節理裂隙中存在泥質充填的特征。同時，由于該區段P波速度與S波速度的比值也未見顯著波動，因此推斷該區域地下水發育程度較低，基本不存在浸潤巖體[2]。

2）在DK222+860～DK222+892區段內，發現縱橫波與密度的顯著波動變化，且反射面也較多，因此推斷該區段表現為軟硬相間的圍巖層，且巖體破碎、節理裂隙發育程度也較高。同時，對該區段的波形特征作進一步細分后發現，在DK222+879～DK222+892區段內的波形起伏變化更為突出，且反射面密集程度也凸顯，因此推斷該區段存在較為典型的巖溶侵蝕溝槽特征。另外，該區段P波速度與S波速度的比值同樣波動起伏，因此推斷該區段內存在較高的富水性。

3）在DK222+892～DK222+952區段內，其縱波速度與密度略高于掌子面處的值，反射面較少，推斷該段圍巖巖質較為堅硬，完整度也較高，具有較優的穩定性。同時，該區段內未見S波的反射，因此推測該段地下水不發育[3]。

3 工程地質條件超前預報驗證結果及討論

為進一步驗證TSP的超前預報結果的準確性，引入現場超前地質鉆探方法，對已進行TSP探測和解譯區段進行驗證，對該次應用TSP進行鉆探的區段進行探測，得到以下幾方面的現場鉆探結果：

（1）基于1號鉆孔對DK226+009～DK226+129區段進行現場鉆探后，結果顯示，該區段圍巖主要巖性為石灰巖，表現出弱風化狀態，巖質總體較為堅硬，但相對較為破碎且存在節理裂隙的明顯發育。同時，從圍巖裂隙中可觀察到點狀和線狀出水，部分節點存在股狀出水，可在此類節點上觀察到少量類似溶洞的結構，這與基于TSP的探測解譯結果基本相符[4]。

（2）基于2號鉆孔對DK222+832～DK222+952區段進行現場鉆探后，結果顯示，該區段的圍巖巖性表現為泥巖和石灰巖夾雜出現的特征，使得巖質呈現出軟硬相間的特點；從節理裂隙發育程度來看，該區段圍巖節理裂隙發育程度普遍偏高，導致巖體破碎程度也較高，部分巖溶裂隙帶出現碎石掉落的情況，且存在小股涌水，這與基于TSP的探測解譯結果也基本相符。這也證明了該次基于TSP的超前預報技術模式的準確性。

在確定該次以TSP為基礎的超前預報技術模式符合要求后，對各個細分區段的探測結果進行整理，具體如表2所示。

表2 各區段的探測解譯結果

探測區段 探測解譯結果

DK226+009～

DK226+026 圍巖巖質軟硬相間，節理裂隙較發育，巖體較破碎，局部洞段有軟弱破碎結構及溶洞發育

DK226+026～

DK226+129 堅硬巖質，節理裂隙較發育，巖體較破碎，局部洞段結構面發育密集，地下水發育程度較弱

DK222+832～

DK222+860 力學性質軟弱和較為破碎的圍巖，節理裂隙發育程度較高，且節理裂隙中存在泥質充填，但地下水發育程度較低

DK222+860～

DK222+892 軟硬相間的圍巖層，且巖體破碎、節理裂隙發育程度也較高，局部巖溶侵蝕溝槽特征，富水性也較高

DK222+892～

DK222+952 巖質較為堅硬，完整度較高，地下水基本不發育

基于各區段探測解譯結果及其存在的差異，對相應區段后續的施工作業提出如下建議：

（1）針對DK226+009～DK226+026段，由于存在較為破碎的巖體和一定的節理裂隙發育，且局部存在溶洞，因此需要在目標區段內進一步布置加深炮孔或超前鉆探。

（2）針對DK226+026～DK226+129區段，巖體破碎，強度較低，穩定性較差，但地下水基本不發育，因此需要注意加強支護，以避免洞頂出現掉塊或局部坍塌等風險。

（3）針對DK222+832～DK222+860段，其與（2）區段中特征基本類似，但多出了泥巖充填物的存在，建議后續施工過程中優先對節理裂隙進行針對性的加固，而后再采取相應的支護作業。

（4）針對DK222+860～DK222+892段，由于其同時存在巖體破碎、節理裂隙發育和高富水性等風險特征，因此應當進一步布置加深炮孔或超前鉆探，并根據后續鉆探結果采取針對性的降排水和支護措施。

（5）DK222+892～DK222+952段風險程度相對較低，使用常規支護模式即可。

最后對TSP技術方法應用效果進行總結，具體如表3所示。由表3可知，在該次超前地質預測中，共計開展40次預報探測，其中預報結果準確的有29次，相對準確的有9次，不準確的有2次，應用準確率達到95%，說明該技術對于隧道施工安全具有保障作用。

表3 超前地質預報技術應用效果

預報準確程度 探測次數 占據比例/%

準確 29 72.50

相對準確 9 22.50

不準確 2 5.00

4 結束語

整體來看，該文針對某鐵路工程隧道施工中可能存在的風險因素，以地震波反射法為基礎，進行隧道施工超前預報技術模式應用。基于地震波反射法的隧道施工超前預報技術，在探測解譯的準確性方面具有優勢，應用結果如下：該次超前地質預測中，共計開展40次預報探測，其中預報結果準確的有29次，相對準確的有9次，不準確的有2次，應用準確率達到95%，說明TSP法獲得較為準確的探測結果，能夠為隧道工程順利開展提供保障。

參考文獻

[1]張涵. 綜合物探法在新疆某引水隧洞超前地質預報中的應用[J]. 紅水河， 2023（6）： 118-122.

[2]楊繼華， 王志強， 周項通， 等. 萬安溪引水工程小直徑開敞式TBM施工超前地質預報研究[J]. 水利科技， 2023

（4）： 63-66.

[3]姬海東， 陳力， 徐志英. DGZ150系列多功能鉆機設計及應用技術研究[J]. 鐵道建筑技術， 2023（11）： 129-132+

190.

[4]李平， 何翰林， 羅天宇， 等. 淺析超前地質預報技術在富水隧道的綜合應用[J]. 科學技術創新， 2023（27）： 161-164.