超前地質(zhì)預(yù)報在焦尾琴隧道的應(yīng)用

劉磊

摘要 根據(jù)地勘資料，溧陽市焦尾琴隧道圍巖等級為V級，圍巖巖性主要為破碎中風(fēng)化灰?guī)r、安山巖及硅質(zhì)頁巖，交錯節(jié)理和裂縫、裂隙發(fā)育，巖體破碎，存在軟弱破碎巖石、巖溶等不良地質(zhì)，當(dāng)進行爆破施工時，容易造成拱頂塌方甚至冒頂，在開挖過程中應(yīng)采用超前地質(zhì)預(yù)報手段加強不良地質(zhì)的探測，以避免出現(xiàn)工程事故，確保施工安全。

關(guān)鍵詞 焦尾琴隧道;超前地質(zhì)預(yù)報;不良地質(zhì);隧道施工

中圖分類號 U452.11 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0163-04

0 前言

隨著社會的飛速發(fā)展，人類對交通的需求越來越多，為了讓交通更加便利，需要在山里修隧道。不同的山由于經(jīng)歷不同的地質(zhì)沉積構(gòu)造作用甚至同一座山不同層位的巖石的力學(xué)性質(zhì)也不盡相同。隧道在不良地質(zhì)段施工時，為了確保施工安全，需要采用超前地質(zhì)預(yù)報了解前方地質(zhì)情況后再開始施工[1]，超前地質(zhì)預(yù)報在隧道施工中具有重要意義。

1 隧道工程概況

焦尾琴隧道起于104國道與長山路交叉口，向北以隧道形式穿越西圣山后，終于平陵西路與泓盛路交叉口，該項目隧道段0.63 km。左右洞之間距離從17到24 m不等。其中，隧道左線長630 m，右線長625 m，屬于大斷面的中隧道，埋深洞口淺埋段約3 m左右，最大埋深約65 m。

1.1 隧道工程地質(zhì)概況

焦尾琴隧道屬于低山殘丘工程地質(zhì)區(qū)，地勢高低起伏變化較大，地層巖性較多，性質(zhì)變化較大。隧道左線ZK0+635.00～ZK0+810.00段，長度175 m，隧道洞身圍巖主要為中風(fēng)化破碎安山巖，巖體破碎嚴重，不穩(wěn)定，屬于V 級圍巖。隧道左線ZK0+810.00～ZK1+000.00段，長度190 m，隧道洞身圍巖主要為破碎中風(fēng)化灰?guī)r，巖層節(jié)理和裂縫裂隙發(fā)育，巖體較破碎且含溶洞，溶洞全填充有泥，局部巖溶發(fā)育，為V級圍巖。隧道左線ZK1+000.00～ZK1+122.00段，長度122 m，隧道主要為風(fēng)化嚴重的硅質(zhì)頁巖，巖體及其破碎，為V級圍巖。

1.2 隧道水文地質(zhì)條件

1.2.1 地表水

焦尾琴隧道地表水主要為雨季降雨，周圍分布有村民魚塘，水量隨著雨季旱季變化較大，沒有其他大型地表水。

1.2.2 地下水

焦尾琴隧道地下水主要為表層的潛水，承壓水位特別低。潛水主要分布在淺部人工填土中。穩(wěn)定水位埋深約為0.25～7.60 mm。經(jīng)計算，該隧道正常涌水量約740 m3/天;該隧道最大涌水量約1 013～1 512 m3/天。

1.3 隧道不良地質(zhì)

路線內(nèi)不良地質(zhì)主要有危巖、巖溶、構(gòu)造斷裂、節(jié)理等，未見泥石流及有害氣體。特殊性巖土主要為一些人工的填土和風(fēng)化嚴重破碎的安山巖、灰?guī)r。

2 超前地質(zhì)預(yù)報方法

隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法主要分為地質(zhì)調(diào)查法、物探法和超前鉆探法，物探法又包括地質(zhì)雷達法、地震波法、紅外線法等。針對不同地質(zhì)條件選擇不同地質(zhì)預(yù)報方法相結(jié)合，在地層條件較好時，選擇地質(zhì)分析法即可，在地質(zhì)條件較差時，需將地質(zhì)分析法結(jié)合物探法、超前鉆探法等多種超前地質(zhì)預(yù)報方法[2]。

2.1 地質(zhì)分析法

地質(zhì)分析法是隧道施工使用最多的地質(zhì)預(yù)報方法，地質(zhì)分析法對現(xiàn)場施工無影響。通過掌子面巖性走向、構(gòu)造走向、巖層分界等地質(zhì)基礎(chǔ)信息進行隧道地質(zhì)素描，分析掌子面前方巖層、斷層、地下水等地質(zhì)走向，是隧道設(shè)計施工的依據(jù)材料之一，根據(jù)分析結(jié)果采取對應(yīng)的施工方法和優(yōu)化改進方法，能夠更好地保證隧道的施工安全。

2.2 超前地質(zhì)鉆探法

超前鉆探法是指在隧道正式進行開挖施工前，使用鉆孔設(shè)備在掌子面進行鉆孔，可用于探測前方工程水文地質(zhì)條件。主要通過鉆孔速度、卡鉆情況、鉆孔聲音、返渣、鉆桿是否震動等判斷前方巖性、地下水、破碎帶等來指導(dǎo)開挖支護施工。

2.3 地震波法

地震波探測技術(shù)屬于長距離預(yù)報技術(shù)，圍巖較好時預(yù)報距離可達150 m。其主要是利用放炮產(chǎn)生有效地震波，在巖石中進行傳播。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r層情況與周圍巖體不同的區(qū)域，如裂隙、斷層、地下水體、淤泥等地質(zhì)體時，地震波部分會繼續(xù)向前傳播，但也有一部分地震波會發(fā)生反射現(xiàn)象，不同的地質(zhì)體介質(zhì)產(chǎn)生的地震波反射波形的頻率、速度、相位等也不相同，此時通過對接收到的反射波信號進行數(shù)據(jù)處理，并對波形進行分析，可以判斷出前方的探測范圍內(nèi)可能存在的裂隙、斷層、節(jié)理、地下水體、地層分界線等地質(zhì)體的空間位置、規(guī)模大小等具體情況。

2.4 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法在巖層較軟時探測距離小于20 m，巖層較硬探測距離可達30 m，地質(zhì)雷達法是通過專門的儀器向前方圍巖發(fā)射電磁波，不同介質(zhì)有不同的介電常數(shù)，從而產(chǎn)生不同的反射波，天線接收反射波，其波形頻率、反射速度、相位等都有所不同。通過對收集到的波形進行分析處理，從而推斷出某段波形對應(yīng)的地質(zhì)體的規(guī)模范圍、存在位置等。

3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報在焦尾琴隧道的應(yīng)用

焦尾琴隧道左洞開挖ZK0+780時，掌子面巖石由安山巖轉(zhuǎn)變?yōu)榛規(guī)r夾泥巖，且出現(xiàn)充填型溶洞，為了確保施工安全，委托第三方監(jiān)測單位華設(shè)設(shè)計集團公司加強對掌子面前面圍巖的超前地質(zhì)預(yù)報。

3.1 焦尾琴隧道ZK0+789～ZK0+909綜合預(yù)報

根據(jù)前期的地質(zhì)勘察報告，掌子面前方主要發(fā)育灰?guī)r，局部可能巖溶發(fā)育，需采用超前地質(zhì)預(yù)報探明前方圍巖情況后調(diào)整施工方法方能進行隧道開挖及支護施工。

3.1.1 地震波法（TGP探測法）

TGP法炮孔和接收孔分布如圖，（圖1：炮孔布置平面示意圖）炮孔高度距仰拱填充面約1.5 m。從1號孔到24號孔逐孔引爆記錄。

根據(jù)TGP探測成果圖總結(jié)如下（圖2：隧道左洞ZK0+789三維空間反射界面橫斷面切片圖）：

（1）ZK0+789至ZK0+809段，長度20 m。該范圍估算巖體速度較測量段（炮孔實測段）略有上升，存在兩處波速變化界面，三維切片圖像顯示該范圍周邊巖體繞射波能量變化較大，結(jié)合地勘資料，推測該范圍內(nèi)圍巖整體處在安山巖與灰?guī)r的過渡段，接近ZK0+809位置可能開始出現(xiàn)灰?guī)r，巖性分界位置圍巖可能比較破碎，裂隙發(fā)育。

（2）ZK0+809至ZK0+861段，長度52 m。該范圍內(nèi)反射面較為集中，推測該范圍巖可能較破碎。通過三維切片結(jié)果，結(jié)合地勘資料分析，ZK0+837、ZK0+861附近洞身圍巖可能較破碎，巖溶發(fā)育，該段已進入灰?guī)r段。

（3）ZK0+861至ZK0+909段，長度48 m。該范圍圍巖波速顯著降低，推測該段圍巖破碎，結(jié)合地勘資料分析可知，該范圍可能進入灰?guī)r破碎帶及溶洞填充帶。

3.1.2 地質(zhì)雷達法

該次地質(zhì)雷達法由第三方單位華設(shè)設(shè)計集團采用地質(zhì)雷達SIR-4000+100 M天線，采用中心頻率為100 MHz的探地雷達天線，介電常數(shù)8.0;采樣時窗：500 ns，采樣點數(shù)為1 024。

隧道施工至ZK0+872，掌子面巖體主要為強～中風(fēng)

化灰?guī)r，裂隙、巖溶發(fā)育，巖溶全填充泥，為探清前方情況在掌子面上臺階水平布置2條測線對前方圍巖進行地質(zhì)雷達檢測，并利用RadarView軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理分析成圖（圖3：隧道掌子面ZK0+872雷達圖）。

掌子面ZK0+872前方0到2 m 內(nèi)，同相軸與掌子面

一致，推測該范圍內(nèi)圍巖整體與當(dāng)前掌子面接近，為全填充性巖溶;前方2～16 m內(nèi)，地質(zhì)雷達反射波整體較弱且斷斷續(xù)續(xù)，推測該范圍裂縫較多，且還可能發(fā)育有巖溶;前方16～25 m內(nèi)，地質(zhì)雷達反射波信號變強，但局部還是不連續(xù)，推測該段節(jié)理和裂隙較發(fā)育。

3.2 超前預(yù)報綜合分析與驗證

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報綜合分析

根據(jù)焦尾琴隧道進口左線ZK0+789附近掌子面地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)雷達探測與TGP探測解譯分析，焦尾琴隧道ZK0+809-909整體圍巖情況較差，圍巖破碎，風(fēng)化嚴重，可能巖溶發(fā)育，施工時應(yīng)做好防護，加強超前支護，防止掉塊、坍塌等危險事故的發(fā)生。

3.2.2 超前地質(zhì)鉆探與驗證

后續(xù)施工驗證隧道掌子面ZK0+853圍巖主要為灰?guī)r夾泥圍巖較破碎，裂縫、巖溶較發(fā)育，溶洞充填黏土（圖4左：隧道左洞ZK0+853掌子面圍巖揭露情況）。

后續(xù)施工驗證左洞ZK0+872掌子面巖性顯示主要為灰?guī)r，中間夾泥較多，灰?guī)r風(fēng)化較嚴重呈灰黃色，比較破碎不穩(wěn)定，節(jié)理裂隙及巖溶較發(fā)育，溶洞被泥及黏土填充（圖4右：隧道左洞ZK0+872掌子面圍巖揭露情況）。

根據(jù)實際開挖情況，掌子面ZK0+853前方圍巖與該次預(yù)報基本相符，該次預(yù)報為后續(xù)掌子面安全開挖支護提供了依據(jù)。

4 總結(jié)

巖溶隧道的超前地質(zhì)預(yù)報一直以來都是隧道建設(shè)中必不可少的環(huán)節(jié)，對指導(dǎo)隧道期施工及隧道施工中的災(zāi)害防治與安全保障有著重要作用，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報調(diào)整支護參數(shù)。

TSP法適合長距離預(yù)報，但也不是無限制，當(dāng)前方圍巖較破碎時，由于地震波的衰減較快，預(yù)報距離不宜太遠，要觀察地震波形信號的衰減情況而定。當(dāng)然如果巖性較好時，可以預(yù)報到200 m遠。對于大的地質(zhì)異常體反應(yīng)明顯，但對確定異常體位置卻稍差，較為籠統(tǒng)。

地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預(yù)報探測距離一般不超過30 m，只能作為近距離預(yù)報的一種手段，其特點是圖像直觀明了，有經(jīng)驗者現(xiàn)場即可確定結(jié)果。但容易產(chǎn)生電磁干擾，最好斷掉電源和其他用電作業(yè)器具。天線頻率一般選低100 MHz。做連續(xù)測量時掌子面要盡量平整，否則要采用點測的辦法[3]。

該文以焦尾琴隧道為案例，利用TGP長距離預(yù)報與地質(zhì)雷達、超前探孔短距離地質(zhì)超前預(yù)報方法相結(jié)合，很好地預(yù)報了掌子面前方的溶洞，項目部通過掌子面拱頂注漿加固安全高效地完成了該巖溶段的施工。綜合使用多種物探方法進行具有不良地質(zhì)的隧道采取超前地質(zhì)預(yù)報能夠有效探測掌子面前方不良地質(zhì)分布情況，對隧道后續(xù)安全施工具有指導(dǎo)性意義，也為礦山法隧道施工提供可行性的參考。

參考文獻

[1]公路隧道施工技術(shù)規(guī)范：JTGT 3660—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[2]郭有勁.綜合物探方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2010.

[3]司建濤，賈留杰.綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法在宜萬鐵路云霧山隧道施工中的應(yīng)用[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2008（1）：

102-104.