隧道施工超前地质预测预报技术

隧道施工超前地质预测预报技术

郑文华

郑文华

（中铁十六局集团第四工程有限公司）

【摘要】受当前工程地质勘察技术和水平限制，在施工前查明施工中可能发生的地质灾害是极其困难的，靠施工揭露再进行处理，带有较大的盲目性，常常发生各种突发事故。本文通过TSP203进行长距离预测预报，以地质雷达、超前地质钻探为短距离进行预报对潜伏的不良地质体给施工带来的困难给予及时的预报，指导了工程施工的顺利进行,降低了地质灾害发生的机率，保证施工人员和设备的安全。

【关键词】超前地质预报；地质灾害；TSP203；地质雷达

1．引言

随着我国公路、铁路、水利、矿山等工程建设项目的飞速发展，隧道工程大量出现。我集团公司承建的六沾复线三联隧道全长12136m，区域内存在断层、破碎带、岩溶、煤层、瓦斯、放射性等多种不良地质；司马地隧道4272米，岩溶、断层发育，沿线河谷深切；曹家沟隧道1581米，线路处于岩溶垂直渗流带、可溶岩与非可溶岩接触带，岩溶管道水比较发育，且水量较大。施工过程中，可能会发生突泥突水，瓦斯突出、塌方等地质灾害，结合隧道施工，我们开展了超前地质预测预报技术的研究及应用。

2．超前地质预测预报技术研究的思路、方法和手段

2.1超前地质预测预报技术研究的思路

鉴于本标段隧道地质条件非常复杂，按照所在区域地质调查为基础，通过地质宏观预测预报为指导原则，实施隧道施工地质长距离和短距离相结合的不良地质超前预测预报技术，根据超前地质预测预报技术成果制定相应的施工地质灾害监测，判断及临近警报、处理方案和措施等工作思想进行超前地质预测预报技术实施。

2.2超前地质预测预报技术研究的方法和手段

目前，国内外地质超前预测预报的方法很多，总体上分为直接法和间接法两种。鉴于隧道工程地质条件非常复杂，采用以设计文件提供的地质勘测资料和隧道区域地质进一步调查，进行宏观的地质预测预报，在此基础上，制定施工阶段超前地质预测预报工作的实施纲要，作为隧道施工阶段超前地质预测预报的指导原则。超前地质预测预报的实施，以TSP203超前地质预测预报系统进行长距离预报，以地质雷达、超前地质钻探配合进行中距离预报，以掌子面地质素描和5米加长炮孔进行短距离预报等复合手段相互印证和相互补充的方法进行。

3．采用超前地质预测预报技术的工作原理、步骤与判别方法。

3.1TSP203超前地质预测预报系统

TSP203超前地质预报系统是专门为隧道和地下工程超前预报研制开发的、目前世界上在该领域最先进的设备，它具有以下特点：适用范围广、预报距离长、对隧道施工干扰小、提交资料及时。

TSP203超前地质预报系统分为洞内数据采集和室内计算机分析处理两大部分。

3.2地质雷达探测技术

3.2.1基本原理

探地雷达的工作原理与探空或通迅雷达相类似,其理论基础为高频电磁波理论，是利用电磁波传播特性对地下不可见地质体的界面进行定位和表征的技术。

3.2.2工作方式与程序

3.2.2.1地球物理特征及工作方法的选择

岩溶洞穴（空气和水）与围岩（灰岩）的电性存在明显差异。

由于电性差异大，所以由空气（空洞）或水（充水溶洞）与灰岩形成的界面，对雷达发射的电磁波形成强反射界面，因而，地质雷达探测地下岩溶洞穴具备充足的地球物理前提。

在探地雷达发射的电磁波在地下传播时,电磁波被不同的介质吸收,其探测效果将受地下介质及反射界面的影响。不同频率的天线，对同一深度的地质界面，低频天线的分辨率相对较低，但探测深度大，最深达50米；高频天线具较高分辨率，显示出止浆墙与岩盘的明显界限。

所在进行探地雷达工作时应针对不同地电条件和需要解决的问题,选择不同频率的天线和相应的工作方法,以达到较好的效果。

3.2.2.2工作程序

工作方式是以宽频带短脉冲的高频电磁波的反射来探测目的体及地质现象。探地雷达通过地面天线Ｔ将电磁波(主频ｎ×10ＭＨｚ～ｎ×900ＭＨｚ)送入地下,经地下地层或地质异常体(溶洞、土洞、断裂、空隙等)反射回地面,由另一接收天线Ｒ接收反射回来的脉冲波信号。脉冲波行程需时ｔ(单位ns,1ns=10-9s):

式中：ε1为第一层地质体的相对介电常数

ε2为第二层地质体的相对介电常数

根据反射系数的关系式可知，探测目标地质体与围岩的相对介电常数差异越大，反射信号越强，则对地质体的界面定位和表征的效果越好。

3.2.3探测结果

在现场探测数据的基础上，雷达系统通过对所接收到的反射波进行叠加、滤波和以不同方式显示等一系列处理，精确地测定出电磁脉冲传播到目标物并反射后来的时间，得到探测区域的雷达剖面，剖面图的水平方向为剖面长度，垂直方向为探测深度。由此来确定目标物的深度和位置等。

3.3超前钻探技术

超前钻探是超前地质预报技术体系的主要组成部分，占有重要的地位，具有不可缺少、不可替代的作用。特别是在岩溶隧道隧洞的超前地质预报中，更起到突出的作用。

3.4施工地质灾害临近警报技术

3.4.1隧道内不良地质体性质的鉴别技术和监测技术

3.4.1.1塌方地质体性质的鉴别技术

（1）隧道中断层破碎带的鉴别识别断层的地层标志；识别断层的断层面标志；识别断层破碎带的岩石标志；识别断层破碎带的矿物标志；识别断层破碎带的构造标志；

（2）隧道中岩溶陷落柱的鉴别总体形成多为上细下粗的椎体或等粗的圆柱体，轴线与岩层垂直；高度有限，只有少数塌至地表；物质组成杂乱，成份复杂，主要为上复岩层的碎块；多为棱角状，大小混杂；与围岩接触面参差不齐，界限明显；虽与断层破碎带（特别是张性断层破碎带）相似，但不具备上述断层破碎带的5种标志。

3.4.2塌方、突泥突水、岩爆发生可能性的判断技术

3.4.2.1塌方可能性的判断

（1）断层破碎带塌方可能性的判断断层上下盘岩性和岩石力学性质；断层力学性质；断层复合与复合特征；断层破碎带的厚度；断层破碎带的物质组成和胶结程度；断层破碎带的围岩结构；断层破碎带的产状及其与隧道的空间关系；地下水和地应力的影响。

（2）岩溶陷落柱塌方可能性的判断岩溶陷落柱的规模大小；岩溶陷落柱的干、湿性；岩溶陷落柱的含泥量和物质组成；岩溶陷落柱边缘的地下水特征。

3.4.2.1突泥突水可能性的判断

（1）独孔喷射距离≤5m，相当涌水量小于100m3/h，为大、中、小型涌水；

（2）独孔喷射距离=5～9m，相当涌水量为100～300m3/h，为小型突水；

（3）独孔喷射距离=9～12m，相当涌水量为300～400m3/h，为中型突水；

（4）独孔喷射距离>12m，相当涌水量大于400m3/h，为大型、特大型涌水。

4．隧道施工超前地质预测预报技术的实施

4.1制定实施超前地质预测预报计划纲要

综合三联隧道、三联隧道平导、司马地隧道、曹家沟隧道地质设计说明来看，区内地质构造复杂，河谷深切，断层发育，地下水较丰富，预计最大涌水量为6×104m3/d。主要不良地质主要有断层、破碎带风化带、岩溶、滑坡、危岩落石、煤层瓦斯等。

4.1.1岩溶和岩溶水

预测本隧道突泥或突水部位见表1

预报结果显示在DIK293+098～+146范围内存在岩溶、富水，根据地质资料判断为垂直渗流带滞后出现。距离掌子面仅为31m，根据此预报结果，及时调整了施工方案，并加强了掌子面的地质素描和超前水平钻探，安全通过了该地段，避免了意外事故的发生。开挖情况与预报结果极为接近，出现了多条流水裂隙和溶洞群。

4.3.2预报断层

司马地隧道全长4272米，低中山溶蚀、侵蚀地貌，地势左高右低，地面高程1790～2260m,相对高差100～400m，自然横坡15o～60o,洞身穿越灰岩玄武岩接触带，有多个地层呈角度不整合接触。当隧道开挖至DIK295+390时，掌子面突然出现碎石夹泥，局部塌方，对照设计资料，该里程段无不良地质，为保证施工安全，立刻停工施做TSP，探查前方地质情况，根据TSP结果判定前方102米范围内地质极差，局部有水，需加强支护。开挖揭示该段为98长的破碎带（古溶洞坍塌段）。

4.3.3地质雷达隧底探测

根据隧底施工前，要进行地质勘查的要求，采用地质雷达对隧底进行探测，洞内沿隧道线路方向布设三条测线，即：隧道中心线及隧道中心线两侧3m位置，对隧底DIK295+460--DIK295+370长90m进行探测，根据探测地质雷达回波剖面图可以发现，隧底3.5米至6米之间存在一明显夹层，中间存在震荡，估计为软弱充填，报请设计院钻探，经钻探发现，隧底地质大概可以分为五层，3米范围内的坍塌碎石夹泥层；3米至3.5米左右的平层围岩；3.5米至6.5米左右的淤泥夹层；6.5至18米左右的破碎围岩层；18米以下的完整围岩，与雷达检测结果基本相同。

5．结束语

通过隧道施工证明，以宏观地质预测预报为前提和指导原则，采用以TSP203超前地质预测预报系统进行长距离预测预报，以地质雷达和超前钻探进行短距离配合预报的综合手段进行超前地质灾害临近警报技术的思路是有效的，方法是可行的。可以基本上确定断层、溶洞、破碎带、地下水等不良地质地层，大大减少了隧道施工的盲目性，降低了施工风险，确保了隧道施工安全和进度、取得了好的经济效益和社会效益。

探测解译的关键技术是成果图的解译技术，不同解译水平的人员，预报的结果可能相差很大，这主要取决于解译人员对该项技术掌握和使用的熟练程度。对于TSP203来说，在解译数据处理阶段滤波范围和速度拾取的正确选择，和在成果解译阶段如何依据不良地质体的成因特征确定不良地质体的图像标志，如何将设备限定的掌子面前方150m的有效预报距离提高到250m甚至更远，以及既能预报不良地质的性质，位置和规模还能利用地质力学的某些理论预报断层破碎带的围岩级别等等技术是最关键的解译技术。

参考文献：

[1]铁路工程地质手册.中国铁道出版社.2007年6月.

[2]GroundVisionOperatingManuaiVersion2.0.瑞典MALA公司.2008年2月.

[3]TSP隧道地质超前预报系统培训说明（中文）.AMBERGTECHNOLOGIES.2008年4月

[4]中瑞2013年TSP隧道地质超前预报会议论文集.昆明西普瑞格科技有限公司.2013年11月