超前地質預報在焦尾琴隧道的應用

劉磊

摘要 根據地勘資料，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化灰?guī)r、安山巖及硅質頁巖，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，當進行爆破施工時，容易造成拱頂塌方甚至冒頂，在開挖過程中應采用超前地質預報手段加強不良地質的探測，以避免出現(xiàn)工程事故，確保施工安全。

關鍵詞 焦尾琴隧道;超前地質預報;不良地質;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。不同的山由于經歷不同的地質沉積構造作用甚至同一座山不同層位的巖石的力學性質也不盡相同。隧道在不良地質段施工時，為了確保施工安全，需要采用超前地質預報了解前方地質情況后再開始施工[1]，超前地質預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 隧道工程地質概況

焦尾琴隧道屬于低山殘丘工程地質區(qū)，地勢高低起伏變化較大，地層巖性較多，性質變化較大。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，隧道主要為風化嚴重的硅質頁巖，巖體及其破碎，為V級圍巖。

1.2 隧道水文地質條件

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

路線內不良地質主要有危巖、巖溶、構造斷裂、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化嚴重破碎的安山巖、灰?guī)r。

2 超前地質預報方法

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

2.1 地質分析法

地質分析法是隧道施工使用最多的地質預報方法，地質分析法對現(xiàn)場施工無影響。通過掌子面巖性走向、構造走向、巖層分界等地質基礎信息進行隧道地質素描，分析掌子面前方巖層、斷層、地下水等地質走向，是隧道設計施工的依據材料之一，根據分析結果采取對應的施工方法和優(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，使用鉆孔設備在掌子面進行鉆孔，可用于探測前方工程水文地質條件。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、破碎帶等來指導開挖支護施工。

2.3 地震波法

地震波探測技術屬于長距離預報技術，圍巖較好時預報距離可達150 m。其主要是利用放炮產生有效地震波，在巖石中進行傳播。當?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，不同的地質體介質產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)據處理，并對波形進行分析，可以判斷出前方的探測范圍內可能存在的裂隙、斷層、節(jié)理、地下水體、地層分界線等地質體的空間位置、規(guī)模大小等具體情況。

2.4 地質雷達法

地質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，不同介質有不同的介電常數(shù)，從而產生不同的反射波，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的地質體的規(guī)模范圍、存在位置等。

3 綜合超前地質預報在焦尾琴隧道的應用

焦尾琴隧道左洞開挖ZK0+780時，掌子面巖石由安山巖轉變?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)測單位華設設計集團公司加強對掌子面前面圍巖的超前地質預報。

3.1 焦尾琴隧道ZK0+789～ZK0+909綜合預報

根據前期的地質勘察報告，掌子面前方主要發(fā)育灰?guī)r，局部可能巖溶發(fā)育，需采用超前地質預報探明前方圍巖情況后調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TGP探測成果圖總結如下（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，結合地勘資料，推測該范圍內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。通過三維切片結果，結合地勘資料分析，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 地質雷達法

該次地質雷達法由第三方單位華設設計集團采用地質雷達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

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雷達檢測，并利用RadarView軟件對原始數(shù)據進行處理分析成圖（圖3：隧道掌子面ZK0+872雷達圖）。

掌子面ZK0+872前方0到2 m 內，同相軸與掌子面

一致，推測該范圍內圍巖整體與當前掌子面接近，為全填充性巖溶;前方2～16 m內，地質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，地質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 超前預報綜合分析與驗證

3.2.1 超前地質預報綜合分析

根據焦尾琴隧道進口左線ZK0+789附近掌子面地質調查和地質雷達探測與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，風化嚴重，可能巖溶發(fā)育，施工時應做好防護，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）。

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

4 總結

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

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

地質雷達超前地質預報探測距離一般不超過30 m，只能作為近距離預報的一種手段，其特點是圖像直觀明了，有經驗者現(xiàn)場即可確定結果。但容易產生電磁干擾，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長距離預報與地質雷達、超前探孔短距離地質超前預報方法相結合，很好地預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的隧道采取超前地質預報能夠有效探測掌子面前方不良地質分布情況，對隧道后續(xù)安全施工具有指導性意義，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預報中的應用研究[D].北京：中國地質大學，2010.

[3]司建濤，賈留杰.綜合超前地質預報方法在宜萬鐵路云霧山隧道施工中的應用[J].地質災害與環(huán)境保護，2008（1）：

102-104.