综合超前地质预报技术在隧道施工中的应用

综合超前地质预报技术在隧道施工中的应用

周陈婴

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司湖北武汉430056）

摘要：在地质复杂区修建隧道时，为降低施工灾害发生频率，确保施工安全，施工前有必要进行超前地质预报。以某隧道为依托，通过地质分析，运用TSP-203、GPR等物探手段进行了探测，探测结果与现场实际揭露情况基本吻合，对隧道施工起到了积极作用,降低了施工风险，保证了安全。

关键词：超前地质预报、地质雷达、TSP、GPR

引言

随着我国交通事业的快速发展，铁路建设进入高速发展阶段。我国已成为世界上隧道修建规模与难度最大的国家。特别是随着重大工程建设重心向地形地质极端复杂的西部山区与岩溶地区转移，正在或即将修建大量的高风险深长隧道工程。由于深长隧道(洞)在施工前期难以全部查清沿线不良地质情况，导致施工过程中往往遭遇突水突泥、塌方、大变形等重大地质灾害，造成人员伤亡，机械设备报废，部分隧道被迫停建或改线，环境破坏严重，经济损失巨大。

1超前地质预报发展现状及基本原理

1.1TSP超前地质预报

TSP超前预报系统采用地震波反射原理，地震波由24个爆破点上的小剂量炸药爆炸产生，当爆炸产生的地震入射波遇到岩体结构有变化的岩层时，在不同介质的分界面上，部分入射波被反射，采用电子传感器接收。因地震波在岩体中以固定的速度传播，所以反射波的到达时间和入射波到达不同岩体分界面的距离成正比，故能间接测量地质变化带和测点之间的距离，预测隧道掌子面前方的地质结构及围岩地质状况。

1.2地质雷达探测法

地质雷达探测法基本原理是由发射机发射脉冲电磁波，其中一部分是沿着掌子面传播的直达波，经过时间t1后达到接收机；另一部分电磁波传入岩体中，在波的传播过程中遇到电性不同的岩体时，电磁波会发生发射，经过时间t2后达到接收机，然后根据两种波传播时间的差值来确定掌子面前方不同岩体的具体位置[3]。其应用范围涉及公路、铁路、水电站、煤矿、隧道、矿产资源和考古等各个领域。

1.3综合超前地质预报体系

隧道超前地质预报方法主要包括地质雷达、TSP、超前水平钻、超前炮孔以及地质调查法等。然而不同预报方法对不同的不良地质体的预报效果有所差异，所以在进行隧道超前地质预报时，应根据工程水文地质情况分段分区，结合不同超前预报方法的特点，综合采用不同的预报手段和方法，才能达到快速、有效预报地质灾害的目的。

(1)TSP超前预报方法

TSP可以实现岩体的纵横波速、泊松比、弹性模量等参数定量探测，对掌子面前方遭遇到的近似垂直于隧道轴线的不良地质体界面，其预测预报结果将是准确可靠的，但如果不良地质体的界面形状不规则或溶洞体尺寸较大且呈近平面状，则信号反映效果较差，准确预报的难度较大，且每次预报工作耗时约1~2h，占用工期较长，每次预报距离为150~200m。

(2)地质雷达法

地质雷达能较好的识别掌子面前方地层岩性的变化，对于断层破碎带特别是含水破碎带具有较高的辨识能力，重点预报涌水，预测断层破碎带、充水溶洞或较大水体和含水岩溶裂隙的位置和规模，但是探测的距离较短，大约在20～30m之间，并且易受洞内金属机械的干扰，预报工作每次耗时约0.5~1h。

2工程实例

2.1工程概况

某隧道DIK55+550～DIK55+580段掌子面揭示为奥陶系下统南津关组、分乡组、红花园组灰岩。呈浅灰-青灰色，矿物成分以方解石等为主，中厚-厚层状，节理较发育，岩体较完整，岩质坚硬，锤击声清脆，岩石表面溶蚀严重，溶痕、溶蚀沟槽等发育。单斜构造，岩层产状为N40°～50°E/10°～15°S，产状较为稳定；掌子面局部破碎且夹泥，中部偏左位置发育一条裂隙，少量夹泥，拱顶上方偏左位置向上发育一高约8m、直径约1.5m左右的竖向溶洞，溶洞无充填。

2.2综合超前地质预报体系预测结果

（1）TSP预报

采用TSP203PLUS对掌子面前方的地质情况进行了探测，炮眼布置在面向掌子面左侧壁。探测结束后，利用TSPwin软件对采集的TSP数据进行处理，获得P波反射界面及岩石物性参数等一系列成果[4]。探测段岩体物性如图1所示。

分析得围岩反射界面较多，纵、横波速度变化较大，泊松比整体升高，动态杨氏模量值整体降低。推断围岩溶蚀裂隙发育，岩体较破碎，局部破碎，围岩强度较前段变差。进一步采用地质雷达辅以超前水平钻进行探测。

（2）地质雷达预报

采用美国地质雷达对掌子面前方的地质情况进行了探测，选用100MHz屏蔽天线，应用点测法进行探测。在掌子面下部、中部各布置一条垂直于隧道轴线走向的水平雷达测线。

根据雷达图像图2分析，本次探测距离为20m，里程桩号范围为DIK55+554～DIK55+574，具体探测结论描述如下：

DIK55+554～DIK55+568段范围内整体上围岩完整性较好，在掌子面前方右侧4～8m范围内存在泥质夹层，左侧2～4m及6～8m范围内存在泥质夹层。

DIK55+568～DIK55+574段范围内围岩较上段围岩完整性变差，围岩较破碎且含裂隙水。

2.3现场开挖情况对比验证

在相应里程开挖后发现节理裂隙发育。开挖和钻探结果很好地验证了此次TSP超前预报和探地雷达相结合预测隧道不良地质的准确性。

3结论

本文依托工程实际，将“综合超前地质预报”运用到工程实践中，利用TSP和地质雷达等物探手段对隧道前方的情况进行了探测，结合掌子面揭露情况，很好地验证了此次TSP超前预报和探地雷达相结合预报的准确性，可供类似工程参考借鉴。应用结果表明，“综合超前地质预报技术”预报模式准确率较高，提高了经济效益。

参考文献

[1]许振浩，李术才，张庆松，等.TSP超前地质预报地震波反射特性研究［J］.地下空间与工程学报，2008，4(4):640-644．

[2]王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘查,2004(1):7-9,18.

[3]何刚.TSP-203系统在隧道超前地质预报中的应用研究[D].中南大学，2005

[4]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994.