超前地質(zhì)預(yù)報方法及其應(yīng)用

周相識

(湖南路橋建設(shè)集團有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 411004)

超前地質(zhì)預(yù)報方法及其應(yīng)用

周相識

(湖南路橋建設(shè)集團有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 411004)

山嶺隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，當遇到不良地質(zhì)條件如溶洞、斷層、巖溶水時常常發(fā)生突水突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害問題。為防止該類事故的發(fā)生，開挖前必須對隧道前方的地質(zhì)情況有所了解。通過隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)手段，將各種預(yù)報方法在實際工程中加以應(yīng)用，得到的預(yù)報結(jié)果表明，各探測方法的相互印證體現(xiàn)了綜合預(yù)報的重要性及準確性，證明在隧道施工過程中，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報較為行之有效，在復(fù)雜地質(zhì)條件下應(yīng)推薦采用。

隧道工程；地質(zhì)雷達；TSP；地質(zhì)素描；超前鉆孔

隨著山嶺隧道的高速發(fā)展，隧道超前地質(zhì)預(yù)報已成為長大隧道必不可少的技術(shù)環(huán)節(jié)，它主要是探測隧道掌子面前方圍巖的級別、地質(zhì)狀況，根據(jù)地質(zhì)狀態(tài)和圍巖級別適時調(diào)整開挖工法和支護措施，以保證隧道施工安全。隧道超前地質(zhì)預(yù)報的內(nèi)容主要有：斷層構(gòu)造及斷層破碎帶，巖溶、空洞、裂隙及其規(guī)模和充填情況，地下水的賦存狀態(tài)及可能突水、涌水的位置以及水量的大小和軟弱圍巖及不同類別圍巖的界面等[1￣9]?，F(xiàn)有隧道超前地質(zhì)預(yù)報的手段主要有：地質(zhì)素描、地質(zhì)雷達、超前鉆孔、TSP系統(tǒng)、炮孔加深等。

1 超前地質(zhì)預(yù)報方法

超前地質(zhì)預(yù)報的主要工藝流程見圖1。

圖1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報工藝流程

1.1 長距離超前地質(zhì)預(yù)報

長距離地質(zhì)預(yù)報主要采用TSP儀器進行探測[10]。TSP203預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)是長距離地質(zhì)預(yù)報較常采用的一種技術(shù)手段，它能測試前方100 m內(nèi)的斷層破碎帶、寬大節(jié)理密集帶、噴出巖接觸帶及地下水變化情況等。進行TSP超前預(yù)報時應(yīng)連續(xù)不少于2次探測，每次探測應(yīng)搭接10 m。TSP203預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)主要工藝流程為：

(1) 隧道邊墻鉆孔形成有規(guī)則排列的人工鉆孔，通過爆破手段產(chǎn)生輕微震源，發(fā)射地震波。

(2) 采集震源的反射波數(shù)據(jù)，分析反射波的傳播速度、波長、強度等信息推測前方斷層、巖溶水等相關(guān)不良地質(zhì)體性質(zhì)。

(3) 制作地質(zhì)體反射能量的影視圖。

(4) 整理采集的數(shù)據(jù)質(zhì)料并進行破譯，對隧道掌子面前方的不良地質(zhì)體性質(zhì)、位置和規(guī)模等加以預(yù)測。

1.2 短距離超前地質(zhì)預(yù)報

短距離超前地質(zhì)預(yù)報主要包括地質(zhì)素描、地質(zhì)雷達、超前鉆孔等方法，它是對長距離超前地質(zhì)預(yù)報的補充，是在前者的基礎(chǔ)上進行的預(yù)測手段。

1.2.1 地質(zhì)素描

地質(zhì)素描是確保對前方地質(zhì)的預(yù)報準確度的手段之一，主要包括地質(zhì)內(nèi)容(巖性特征，地層時代及產(chǎn)狀，節(jié)理、斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀，地下水，開挖工作面的穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖類型等)和開挖后已支護段情況，包括：初期支護完成后對噴層表面的觀察，以及裂縫狀況的描述與記錄；有無錨桿被拉壞或墊板陷入圍巖內(nèi)部的現(xiàn)象；噴混凝土是否產(chǎn)生裂隙或剝離，噴混凝土是否發(fā)生剪切破壞；鋼拱架有無被壓曲現(xiàn)象；有無底鼓現(xiàn)象等。

1.2.2 地質(zhì)雷達

地質(zhì)雷達是近年來興起的一種超前地質(zhì)預(yù)測方法，以其分辨率高等特點被廣泛采用。通過對波普進行分析，地質(zhì)雷達能探測出掌子面前方的地層變化，對于斷層破碎帶尤其是含水帶有較高的預(yù)測能力。對于多巖溶、區(qū)域水豐富的隧道，地質(zhì)雷達是一個較為理想的預(yù)報手段。在長距離超前地質(zhì)預(yù)報探測出的復(fù)雜地段及異常地段，通常都應(yīng)采用地質(zhì)雷達作為補充，以確定異常地段的具體位置、大小、類型、巖性等。

探地雷達法以電磁波傳播理論為基礎(chǔ)，以目標體與周圍介質(zhì)的介電性質(zhì)差異為前提，通過發(fā)射高頻電磁波(中心頻率為數(shù)十MHz到千MHz)，以寬帶短脈沖形式在掌子面上由發(fā)射天線T送入前方，經(jīng)目標體界面反射回來，由接收天線R接收(見圖2)；電磁波信號在介質(zhì)中傳播，遇到介電性質(zhì)不同的分界面就會產(chǎn)生反射、色散和衰減等現(xiàn)象，發(fā)射和接收天線在測線上按一定的間距同步移動，獲得該測線的雷達探測圖像，根據(jù)反射信號的時間、相位、頻率、幅度及波形等特征來分析和推斷介質(zhì)性質(zhì)與界面位置。

探地雷達屬于反射波探測法，其基本原理與對空雷達相似，根據(jù)掌子面反射與目標反射的時間差Δt，即可計算出該目標的埋藏深度L。不同介質(zhì)具有不同的介質(zhì)常數(shù)，差異越大，反射信號越強。探測結(jié)果采用偽彩色圖像或堆積波形方式顯示，通過對接收信號實施適當?shù)奶幚?，壓制干擾、突出有效信號，獲得清晰可辨的雷達圖像，在此基礎(chǔ)上識別異常，進行地質(zhì)解釋。

圖2 雷達探測原理示意圖

1.1.3 超前鉆孔

超前鉆孔是最直觀的一種預(yù)測方法，主要是通過鉆取掌子面前方巖芯進行觀察及相關(guān)力學(xué)性能測試來預(yù)判前方地質(zhì)情況，是對其他預(yù)報成果的補充與驗證。它能最直觀地觀測掌子面前方的地質(zhì)特征，準確率很高。通常在地質(zhì)預(yù)報段鉆取3孔，遇到異常段時則鉆取5孔，孔深在6～8 m。主要有不取芯鉆探和取芯鉆探兩種方式。

不取芯鉆探主要是通過改變鉆機力道，觀察回水顏色及巖屑等變化情況，及時記錄相關(guān)鉆進參數(shù)，如時間、鉆進速率等，并據(jù)此推測掌子面前方的溶洞、泥槽、涌水、流沙等不良地質(zhì)現(xiàn)象。它的主要優(yōu)點是探測時間短、費用相對較低，較適合隧道前方有地下水層的地質(zhì)情況，可達到同時探測并排水的效果。但由于無法得到完整的巖芯，故存在較大的不確定性因素，常因坍孔而無法得到準確的前方水資料。

取芯鉆探通過鉆機鉆取完整巖芯，通過判別巖芯直接獲取地質(zhì)資料，從而對掌子面前方巖體做出正確的地質(zhì)判別。同時通過對鉆取的巖芯進行物理力學(xué)實驗，可準確獲取巖體相關(guān)力學(xué)參數(shù)，為設(shè)計施工的參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)。取芯鉆探完成后的孔洞還能為高壓富水隧道提供排水通道，可利用該空洞進行排水降壓。但取芯鉆探施工時間長，且鉆探時掌子面無法進行其他施工作業(yè)，消耗的時間、費用都較不取芯鉆探大。

2 工程應(yīng)用

某山嶺隧道正線全長6216 m，隧道起訖里程為DK37+35～DK43+569。根據(jù)本標段地質(zhì)情況及隧道工程巖性和地質(zhì)構(gòu)造，圍巖等級主要分布有Ⅱ級(4115 m)、Ⅲ級(220 m)、Ⅳ級(260 m)、Ⅴ級(277.55 m)4個級別，隧道洞口主要存在全風(fēng)化砂土、云母石英片破碎層節(jié)理發(fā)育區(qū)等不良地質(zhì)現(xiàn)象，構(gòu)造帶易發(fā)生透水、涌泥等災(zāi)害。本段主要為中低山區(qū)及丘陵區(qū)，主要為變質(zhì)巖、沉積巖和侵入巖；其中侵入巖及硅質(zhì)巖為硬巖，其它一般為軟巖及極軟巖。

為查明該隧道已挖工作面前方的巖層構(gòu)造特征和水文地質(zhì)特征，減少因地質(zhì)災(zāi)害或支護不當而導(dǎo)致大塌方帶來的損失，采取長距離預(yù)報為主，輔以短距離預(yù)報驗證的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法進行超前地質(zhì)分析，以保證隧道施工安全。其中長距離預(yù)報方法主要采用TSP203plus進行探測，短距離預(yù)報方法主要以地質(zhì)素描、加深炮孔和地質(zhì)雷達進行探測。

2.1 TSP203plus預(yù)報成果

在工程技術(shù)人員的配合下完成了DK40+749掌子面的超前探測。本次TSP探測掌子面里程樁號為DK40+749，共布置22個有效炮孔，接收孔與最近炮孔距離約20 m。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波、初至拾取、炮能量均衡、Q評估以及波場分離(包括反射波提取、縱橫波分離)、速度分析后得到相關(guān)波(P、SH、SV)的深度偏移剖面(見圖3)，用TSP203plus探測系統(tǒng)專門處理軟件計算得到相關(guān)的巖石力學(xué)參數(shù)和相關(guān)的二維、三維效果圖(見圖4和圖5)。根據(jù)預(yù)報成果，推測掌子面前方地質(zhì)情況如下：

(1) DK40+749-DK40+802區(qū)段53 m范圍內(nèi)，縱波波速大體相近，約為5300 m/s左右，縱波與橫波比局部約為1.8，推測該區(qū)段圍巖與掌子面圍巖基本類似，為弱風(fēng)化云母石英片巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，地下水較發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差～一般；

(2) DK40+802-DK40+860區(qū)段58 m范圍內(nèi)，縱波波速減小，約為4850 m/s左右，深度偏移圖顯示正負反射均較強，反射界面分布密集，長度較大，多為節(jié)理裂隙發(fā)育；推測該區(qū)段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，局部層間有夾泥，地下水不發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差；

(3) DK40+860-DK40+876區(qū)段16 m范圍內(nèi)，縱波波速迅速增加，約為5600 m/s左右，反射界面較少，長度較大；推測該區(qū)段圍巖節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體稍破碎，地下水不發(fā)育，其中DK40+865附近有大裂隙發(fā)育的可能，圍巖自穩(wěn)能力一般～較好。

(4) DK40+876-DK40+899區(qū)段23 m范圍內(nèi)，縱波波速約為6000 m/s左右，反射界面較少(局部有長反射)，深度偏移圖顯示正負反射均較強，且橫波發(fā)射明顯強于縱波發(fā)射，結(jié)合地質(zhì)勘察資料，推測該區(qū)段圍巖節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體稍完整，地下水較發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力一般～較好。

圖3 P波深度偏移剖面

圖4 3D成果圖

圖5 2D成果圖

2.2 掌子面素描

施工過程每進尺10 m進行一次掌子面素描觀察，以斷面DK40+870為例，該掌子面地質(zhì)描述為：掌子面揭露為弱～強風(fēng)化灰色二長花崗巖,屬硬巖，巖體較完整，局部巖體較破碎，塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合較差，節(jié)理裂隙發(fā)育；地下水稍發(fā)育(見圖6、圖7 )。無其他不良地質(zhì)情況。綜上所述，根據(jù)鐵路隧道圍巖分級標準，掌子面圍巖可建議為Ⅲ級，驗證了TSP超前地質(zhì)預(yù)報的準確性。

圖6 掌子面照片

圖7 掌子面結(jié)構(gòu)面素描

2.3 加深炮孔分析

加深炮孔探測法共水平施鉆3個孔，深度約為6 m，3個鉆孔全部布置在上臺階，孔1與孔3分別上臺階掌子面左、右側(cè)，距離輪廓線約0.2～0.5 m，距離拱頂約1.5 m處；孔2位于拱頂正下方，距離拱頂0.2～0.5 m處。具體鉆孔位置見圖8。以DK40+833斷面加深炮孔探測法為例，各鉆孔鉆進過程具體描敘如下：

(1) 1#鉆孔：鉆進時鉆速均勻，鉆速較快，無卡鉆、跳鉆現(xiàn)象，沖洗液顏色為灰白色，鉆孔后無滲水現(xiàn)象；

(2) 2#鉆孔：鉆進時鉆速不均勻，鉆速慢，有卡鉆、跳鉆現(xiàn)象，沖洗液顏色為灰白色，鉆孔后有滲水現(xiàn)象；

(3) 3#鉆孔：鉆進時鉆速均勻，鉆速較快，無卡鉆、跳鉆現(xiàn)象，沖洗液顏色為灰白色，鉆孔后無滲水現(xiàn)象。

結(jié)合鉆孔分析，預(yù)報里程范圍為DK40+833～DK40+837(即掌子面前方4 m)，預(yù)報區(qū)段為灰色弱～強風(fēng)化二長花崗巖，弱～強風(fēng)化，巖體較完整，局部較破碎；節(jié)理裂隙稍發(fā)育，地下水稍發(fā)育。圍巖自穩(wěn)能力一般。

圖8 加深炮孔孔位布置

2.4 地質(zhì)雷達預(yù)報成果

地質(zhì)雷達探測根據(jù)探測目標的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合以往經(jīng)驗，選擇100 MHz天線進行探測，探測時，天線沿測線盡可能貼近掌子面均勻移動，確保天線和掌子面的最佳耦合，天線在掌子面上面每移動20.0 cm采集一次數(shù)據(jù)。以DK40+544斷面為例，探測成果見圖9。根據(jù)雷達探測成果，結(jié)合地質(zhì)勘探資料及掌子面地質(zhì)特征綜合分析，本次探測推斷：

(1) 探測范圍內(nèi)(DK40+844-DK40+864)圍巖為中風(fēng)化變質(zhì)云母石英片巖；

(2) DK0+844-DK40+857段巖石較破碎；

(3) DK40+857-DK40+864段裂隙發(fā)育。探測的結(jié)果與TSP地質(zhì)預(yù)報結(jié)果較為吻合。

圖9 雷達探測采集波形圖

3 結(jié) 論

介紹了隧道超前地質(zhì)預(yù)報的幾種常用技術(shù)手段：長距離探測的TSP系統(tǒng)及短距離探測方法(地質(zhì)素描、地質(zhì)雷達及超前鉆孔)，并將各類方法應(yīng)用于工程實踐，得到了較好的預(yù)報結(jié)果。因此在隧道施工過程中，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報較為行之有效，在復(fù)雜地質(zhì)條件下應(yīng)推薦采用。

[1]張慶松,李術(shù)才,孫克國,等.公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)分析[J].地下空間與工程學(xué)報,2008(04):766￣771.

[2]李術(shù)才,劉 斌,孫懷鳳,等.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014(06):1090￣1113.

[3]羅利銳,劉志剛,閆怡沖.超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的提出及其發(fā)展方向[J].巖土力學(xué),2011(S1):614￣618.

[4]薛翊國,李術(shù)才,蘇茂鑫,等.隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報實施方法研究[J].巖土力學(xué),2011(08):2416￣2422.

[5]吳錦超.滬昆高速鐵路貴州段巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報研究[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[6]聶莉萍,侯俊敏,毛夢蕓,等.基于探地雷達的巷道超前地質(zhì)預(yù)報二維正演模擬[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2016,36(06):104￣107.

[7]孔繁軍.綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在大水礦山開拓巷道的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2015(03):123￣125.

[8]何 磊,孫家寧,孫祥鑫.地質(zhì)雷達在井巷掘進超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2013(01):78￣80.

[9]姚 亮,王志斌.地質(zhì)雷達在地下水發(fā)育隧道施工中超前探測的應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2013,13(04):131￣132.

[10]Q/CR 9217-2015.鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程[S].

2016￣11￣23)

周相識(1983-)，男，湖南岳陽人，工程師，研究方向為橋梁隧道工程，Email：157654937@qq.com。