綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)隧道的應(yīng)用分析

作者簡(jiǎn)介：

黃 涵（1989—），碩士，工程師，主要從事市政和交通工程檢測(cè)工作。

摘要：針對(duì)單一超前預(yù)報(bào)技術(shù)提供的預(yù)報(bào)信息有限，無法滿足隧道復(fù)雜地質(zhì)段超前預(yù)報(bào)需求的問題，文章以象來路下田隧道為例，采用地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)、TSP法為主、地質(zhì)雷達(dá)法為輔、超前地質(zhì)鉆探法為補(bǔ)充手段的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)隧道開挖掌子面前方的不良地質(zhì)體進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，所采用的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)可供類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；地質(zhì)調(diào)查法；地震波反射法；地質(zhì)雷達(dá)法；地質(zhì)鉆探

中圖分類號(hào)：U456.3+3 A 44 139 4

0 引言

隧道工程的前期勘察無法準(zhǔn)確探明復(fù)雜地質(zhì)隧道中不良地質(zhì)體的發(fā)育情況，只能通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)這一技術(shù)手段為隧道施工掌子面前方的不良地質(zhì)體進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。目前國(guó)內(nèi)通用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)基本為物探法，包括TSP法（地震波反射法）、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法等［1-5］。但是，物探法一般存在多解性，單一方法的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性受到客觀因素的制約，無法為復(fù)雜地質(zhì)隧道的安全施工提供有效指導(dǎo)。因此，需要結(jié)合多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，包括地質(zhì)調(diào)查法、超前地質(zhì)鉆探法［6］等進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)。通過對(duì)多種方法的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行綜合預(yù)判、相互驗(yàn)證，能夠提高地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，避免隧道前方復(fù)雜地質(zhì)段的不良地質(zhì)體引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。

本文以象來路下田隧道為例，將地質(zhì)調(diào)查法、TSP法、地質(zhì)雷達(dá)法和超前地質(zhì)鉆探法相結(jié)合，對(duì)隧道掌子面前方的巖溶發(fā)育及填充物等不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)結(jié)果與掌子面實(shí)際開挖揭露結(jié)果一致，證明所采用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)提高復(fù)雜地質(zhì)隧道的超前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度有很好的指導(dǎo)意義。

1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)內(nèi)容和方法

1.1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法是根據(jù)施工前期的隧道工程地質(zhì)勘察資料，結(jié)合隧道周邊揭露的地質(zhì)情況進(jìn)行系統(tǒng)的地質(zhì)分析，對(duì)掌子面附近圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行判定和對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況在一定范圍內(nèi)進(jìn)行推斷的方法。

1.2 TSP法

TSP法屬于長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)法。其通過引爆炸藥激發(fā)地震波，地震波向掌子面前方傳播，遇到由巖性差異變化引起的波阻抗界面時(shí)，一部分會(huì)反射回來，根據(jù)不同波阻抗的地質(zhì)體產(chǎn)生的反射波特性對(duì)隧道前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。因P波和S波對(duì)地質(zhì)體波阻抗的變化較敏感，一般以分析縱波波速（Vp）和橫波波速（Vs）為主。

1.3 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法屬于短距離預(yù)報(bào)法。其通過雷達(dá)天線向掌子面前方發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波遇到因巖性變化引起的介電參數(shù)差異界面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。通過反射界面的性質(zhì)和分布情況可推斷掌子面前方的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)的位置和規(guī)模，以及地下水發(fā)育情況等。

1.4 超前地質(zhì)鉆探法

超前地質(zhì)鉆探法是利用多功能鉆機(jī)在隧道掌子面前方進(jìn)行鉆探，從而獲取隧道掌子面前方地質(zhì)情況的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，具有預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)、客觀性、直觀性的特點(diǎn)。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)采用地質(zhì)調(diào)查與物探相結(jié)合、長(zhǎng)短探測(cè)相結(jié)合、物探與鉆探相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)方法，以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)、TSP法為主、地質(zhì)雷達(dá)法為輔、超前地質(zhì)鉆探法為補(bǔ)充手段，并相互驗(yàn)證。

實(shí)施步驟為：（1）結(jié)合勘察設(shè)計(jì)資料進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，確定隧道可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)段；（2）隧道開挖全程采用TSP法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；（3）根據(jù)TSP法預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)合隧道實(shí)際開挖揭露情況，對(duì)TSP法預(yù)報(bào)結(jié)果的異常段進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)法疊加預(yù)報(bào)；（4）綜合地質(zhì)調(diào)查法、TSP法、地質(zhì)雷達(dá)法的預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)合實(shí)際開挖情況，對(duì)兩種預(yù)報(bào)結(jié)果異常段的重疊部分采用超前地質(zhì)鉆探法進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步確定掌子面前方不良地質(zhì)體的發(fā)育情況。具體流程如下頁圖1所示。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

下田隧道位于廣西壯族自治區(qū)來賓市象州縣大下田村西南側(cè)約450 m處，隧道設(shè)計(jì)型式為分離式中隧道。隧道區(qū)地層主要為第四系覆蓋層及泥盆系上統(tǒng)榴江組灰?guī)r，灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)硬，裂隙多以節(jié)理裂隙為主。洞身穿越長(zhǎng)度＞50 m的山體垂直入滲帶，巖溶極發(fā)育，填充物為軟塑土夾孤石，存在突泥涌水的施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 預(yù)報(bào)結(jié)果及分析

3.2.1 地質(zhì)調(diào)查法預(yù)報(bào)

本次運(yùn)用地質(zhì)調(diào)查法的掌子面里程樁號(hào)為YK195+571，掌子面素描見圖2。掌子面巖性為灰?guī)r，青灰色，中風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整-較破碎，巖層產(chǎn)狀不清晰，圍巖穩(wěn)定性較好-較差。根據(jù)勘察設(shè)計(jì)文件，YK195+550～YK195+660段圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r，巖石較堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，圍巖穩(wěn)定性差，圍巖等級(jí)劃分為Ⅳ級(jí)。由此，可推斷出掌子面前方存在不良地質(zhì)的可能性較大，需采用TSP法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3.2.2 TSP法預(yù)報(bào)

本次采用的TSP法儀器為瑞士安伯格公司生產(chǎn)的TSP303 Plus。二維預(yù)報(bào)成果圖見圖3，三維預(yù)報(bào)成果圖見圖4。綜合TSP法地質(zhì)調(diào)查法，具體預(yù)報(bào)結(jié)果如下：

（1）YK195+571～YK195+610段范圍內(nèi)縱波波速（Vp）高低起伏，橫波波速（Vs）較低，反射界面較多。推測(cè)該范圍內(nèi)為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較破碎-較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差，地下水不豐富。

（2）YK195+610～YK195+620段范圍內(nèi)縱波波速（Vp）和橫波波速（Vs）較低，反射界面較多。推測(cè)該范圍內(nèi)為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較破碎-破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能有小-中等規(guī)模的溶洞發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差-差，地下水不豐富。

（3）YK195+620～YK195+635段范圍內(nèi)縱波波速（Vp）較低，橫波波速（Vs）較高，反射界面較多。推測(cè)該范圍內(nèi)為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較破碎-較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差，地下水不豐富。

（4）YK195+635～YK195+660段范圍內(nèi)縱波波速（Vp）高低起伏，橫波波速（Vs）較低，反射界面較多。推測(cè)該范圍內(nèi)為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較破碎-破碎，節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙發(fā)育，可能有中等規(guī)模溶洞發(fā)育，地下水不豐富，溶洞有泥質(zhì)填充物，圍巖自穩(wěn)能力較差-差。

（5）掌子面前方89～119 m（YK195+660～YK195+690段）范圍內(nèi)縱波波速（Vp）較低，橫波波速（Vs）較高，反射界面較少。推測(cè)該范圍內(nèi)為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差，地下水不豐富。

3.2.3 地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)

由TSP預(yù)報(bào)結(jié)果可以得知，隧道右洞YK195+610～YK195+620段、YK195+635～YK195+660段圍巖較差且有巖溶發(fā)育。在隧道右洞掌子面施工掘進(jìn)至YK195+605處和YK195+630處時(shí)，均采用SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行疊加預(yù)報(bào)。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果見圖5和圖6。

綜合地質(zhì)雷達(dá)法和TSP法，YK195+605～YK195+635段的預(yù)報(bào)結(jié)果如下：

（1）YK195+605～YK195+615段（0～10 m）深度范圍反射信號(hào)較弱，主要呈中高頻，波形較一致，同相軸較連續(xù)。推斷該范圍內(nèi)巖體較完整-較破碎，節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙較發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，地下水不豐富，圍巖自穩(wěn)能力較差。

（2）YK195+615～YK195+620段（10～15 m）深度范圍反射信號(hào)較強(qiáng)，主要呈中低頻，波形較一致，同相軸較連續(xù)。推斷該范圍內(nèi)巖體較破碎-破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能有小～中等規(guī)模溶洞發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差-差，地下水不豐富。

（3）YK195+620～YK195+635段（15～30 m）深度范圍反射信號(hào)較弱，主要呈中高頻，波形較一致，同相軸較連續(xù)。推斷該范圍內(nèi)巖體較完整-較破碎，節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙較發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，地下水不豐富，圍巖自穩(wěn)能力較差。

YK195+630～YK195+660段預(yù)報(bào)具體結(jié)果如下：

（1）YK195+630～YK195+640段（0～10 m）深度范圍的反射信號(hào)較弱，主要呈中高頻，波形較為一致，同相軸較連續(xù)。推斷該范圍內(nèi)巖體較完整-較破碎，節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙較發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，地下水不豐富，圍巖自穩(wěn)能力較差。

（2）YK195+640～YK195+645段（10～15 m）深度范圍的反射信號(hào)較強(qiáng)，主要呈中低頻，波形較雜亂，同相軸斷續(xù)。推斷該范圍內(nèi)巖體較破碎-破碎，節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙發(fā)育，可能有中等規(guī)模溶洞發(fā)育，溶洞有泥質(zhì)填充物，地下水不豐富，圍巖自穩(wěn)能力較差-差。

（3）YK195+645～YK195+660段（15～30 m）深度范圍的反射信號(hào)較弱，主要呈中高頻，波形較一致，同相軸較連續(xù)。推斷該范圍內(nèi)巖體較完整-較破碎，節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙較發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，地下水不豐富，圍巖自穩(wěn)能力較差。

YK195+615～YK195+620段的預(yù)報(bào)結(jié)果和YK195+640～YK195+645段的預(yù)報(bào)結(jié)果均為巖溶發(fā)育的異常段，且均在TSP法預(yù)報(bào)的巖溶發(fā)育的異常段內(nèi)，需要進(jìn)一步采用超前地質(zhì)鉆探法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.4 超前地質(zhì)鉆探法

隧道右洞掌子面施工掘進(jìn)至YK195+610處時(shí)，采用多功能鉆機(jī)進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探，鉆孔位置位于掌子面中部，總鉆進(jìn)深度為40 m。根據(jù)鉆探結(jié)果分析，當(dāng)鉆進(jìn)深度為6 m時(shí)，鉆進(jìn)速度迅速增加，鉆機(jī)扭矩和推進(jìn)力很小，鉆孔有少量黃泥流出；當(dāng)鉆進(jìn)深度為9 m時(shí)，鉆進(jìn)速度減慢，鉆機(jī)扭矩和推進(jìn)力增大，鉆孔內(nèi)黃泥消失；當(dāng)鉆進(jìn)深度為31 m時(shí)，鉆進(jìn)速度迅速增加，鉆機(jī)扭矩和推進(jìn)力很小，鉆孔有大量黃泥流出；當(dāng)鉆進(jìn)深度為35 m時(shí)，鉆進(jìn)速度減慢，鉆機(jī)扭矩和推進(jìn)力增大，鉆孔內(nèi)黃泥逐漸減少。據(jù)此判斷，下田隧道右洞YK195+616～YK195+619段掌子面存在巖溶發(fā)育，下田隧道右洞YK195+641～YK195+645段掌子面存在巖溶發(fā)育并且有泥質(zhì)填充。

3.3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與開挖驗(yàn)證

將地質(zhì)調(diào)查法、TSP法、地質(zhì)雷達(dá)法、超前地質(zhì)鉆探法的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行相互結(jié)合與驗(yàn)證。最終得出本次綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，該結(jié)果將掌子面前方的圍巖情況按五段進(jìn)行劃分，其中兩段為巖溶強(qiáng)發(fā)育段，其余三段為巖溶弱發(fā)育段。經(jīng)過掌子面開挖揭露情況的驗(yàn)證，本次綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果與掌子面實(shí)際情況基本一致。綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的具體結(jié)果和實(shí)際開挖揭露情況對(duì)比見表1。

4 結(jié)語

（1）任何一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法都有各自的優(yōu)劣性，而綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)能夠?qū)⑦@些方法進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，將地質(zhì)調(diào)查法作為理論分析基礎(chǔ)，TSP法作為主要的普查手段，地質(zhì)雷達(dá)法作為輔助的詳查手段，鉆探法作為補(bǔ)充的驗(yàn)證手段，能夠大幅度地提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

（2）隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作長(zhǎng)期受到物探法預(yù)報(bào)結(jié)果多解性的制約。物探法預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與超前預(yù)報(bào)技術(shù)人員的主觀經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量、掌子面前方圍巖地質(zhì)情況的復(fù)雜程度等相關(guān)。本文采用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)將地質(zhì)分析理論、物探法、鉆探相結(jié)合，能夠有效規(guī)避物探法多解性對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確性的負(fù)面影響。

（3）綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在下田隧道的應(yīng)用取得了良好的效果。該方法能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置和發(fā)育規(guī)模，為隧道的安全施工提供可靠保障，為隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作提供了一種新的思路，可供其他復(fù)雜地質(zhì)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作借鑒參考。

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收稿日期：2022-09-26