基于隧道超前地質(zhì)探測的圍巖分級研究

龍貴云 鄭亮

摘? 要：為探明隧道掌子面前方的圍巖等級以保證后續(xù)施工安全，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是最常用的技術(shù)手段。該文以青海加西公路JX-1標(biāo)互助北山特長隧道為例，依據(jù)2種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法即地震波法和地質(zhì)雷達(dá)法，探明隧道掌子面前方的圍巖等級，糾正隧道設(shè)計(jì)階段圍巖等級不明確的誤差，驗(yàn)證依靠超前地質(zhì)探測查明圍巖等級方法的可行性。此方法預(yù)測的圍巖等級與開挖情況符合，能夠?yàn)楹罄m(xù)隧道工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；圍巖分級；地震波法；地質(zhì)雷達(dá)法

中圖分類號：U45? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0124-04

Abstract： In order to find out the grade of surrounding rock in front of the face of the tunnel to ensure the safety of subsequent construction， advanced geological prediction is the most commonly used technical means. Taking Huzhu Beishan extra-long tunnel of Jiaxi Highway in Qinghai Province as a case， according to two advanced geological prediction methods， namely seismic wave method and geological radar method， this paper finds out the surrounding rock grade in front of the tunnel face， corrects the error of unclear surrounding rock grade in the tunnel design stage， and verifies the feasibility of relying on advanced geological exploration to find out the surrounding rock grade. The surrounding rock grade predicted by this method is consistent with the excavation situation， which can provide reference for the follow-up tunnel construction.

Keywords： tunnel; advance geological prediction; surrounding rock classification; seismic wave method; geological radar method

隧道建設(shè)中圍巖分級工作貫穿設(shè)計(jì)、施工全過程中，對于隧道安全施工具有重大意義。在設(shè)計(jì)階段，技術(shù)人員依據(jù)前期勘察資料劃分隧道圍巖等級，但是受制于自然地質(zhì)情況復(fù)雜、不良地質(zhì)狀況深埋地下，以及工程前期勘察技術(shù)限制，對實(shí)際的地質(zhì)情況很難做到完全掌握，以及對隧道沿線不良地質(zhì)情況準(zhǔn)確揭示，因此，實(shí)際的隧道圍巖等級與設(shè)計(jì)劃分的圍巖等級存在出入。根據(jù)隧道施工過程中實(shí)施的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)獲得的資料，綜合工程人員掌握的勘察資料及施工經(jīng)驗(yàn)判斷掌子面前方的圍巖等級，對于后續(xù)隧道施工具有較為重大的意義。

隧道掌子面前方不同級別圍巖的巖性、巖體狀態(tài)、巖體空隙等是不同的，利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)獲取的前方巖體信息，結(jié)合前期勘察設(shè)計(jì)資料，綜合評估前方巖體圍巖等級，能夠較為精確地確定隧道圍巖等級。地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)通過接收的地震波反射波反映地下巖體情況，預(yù)測隧道掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況，為圍巖等級判定提供判據(jù)。地質(zhì)雷達(dá)法則是通過高頻電信號探測掌子面前方圍巖情況，不同圍巖下電信號的波動情況是不同的。

1? 工程概況

互助北山特長隧道位于青海省互助土族自治縣，起點(diǎn)位于元圃溝，終點(diǎn)位于柏木峽口，隧道軸線總體走向?yàn)?97°19′54″，為分離式隧道，測設(shè)線間距約26.0～30.0 m，隧道左、右線均位于直線段上。隧道左右洞里程分別為ZK32+463～ZK43+640、K32+492～K43+618，長度分別為11 177、11 126 m。按隧道分類屬特長隧道，隧道洞底最大埋深約769 m。隧道進(jìn)口端左線 ZK36+900附近設(shè)置1#斜井，分別對左、右線進(jìn)行送排風(fēng)；斜井洞口外接設(shè)地面風(fēng)機(jī)房及控制室、風(fēng)塔；1#斜井全長1 072 m，斜井底部通過聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與主洞相連。在隧道出口端右線K40+540附近設(shè)置2#斜井，2#是左線排煙口和右線通風(fēng)口通道；斜井洞口外接設(shè)地面風(fēng)機(jī)房及控制室、風(fēng)塔；2#斜井全長1 438 m，斜井底部通過聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與主洞相連。

2? 基于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的圍巖分級

青海互助山北特長隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)入口段及出口段使用地質(zhì)雷達(dá)探測，隧道中段使用地震波法探測儀器，使用了2種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)儀器：基于地震波法的TGP-206和基于地質(zhì)雷達(dá)法的SIR-4000。

2.1? 隧道地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

探測中使用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)儀是國產(chǎn)的TGP206（如圖1所示），TGP206隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括儀器主機(jī)、配件和處理軟件3部分。

隧道地震波法是利用地震波在地下不同巖層中傳播的波形特征生成地震波圖像，依據(jù)圖像分析地質(zhì)狀況。地震波震源采用小藥量炸藥在隧道邊墻的風(fēng)鉆孔中激發(fā)產(chǎn)生，激發(fā)炮孔位于隧道側(cè)壁，炮孔數(shù)一般為24個(gè)，激發(fā)炮點(diǎn)越多，獲得的地質(zhì)信息越多，但處理時(shí)間也越長，一般根據(jù)需要掌握的探測距離來擬定炮點(diǎn)數(shù)量。地震波接收器在隧道左右壁接收不同點(diǎn)位的地震反射波。地震波在向掌子面前方運(yùn)動，遇到異常地質(zhì)界面時(shí)部分地震波反射回接收器，一部分信號繼續(xù)進(jìn)入前方巖體繼續(xù)傳播，在傳播過程中重演著反射與透射的不斷過程，各反射回波在接收時(shí)間上存在間隔，通過時(shí)間間隔表征巖層距離，通過波形分析判斷巖體形態(tài)，可以較為精確地探測巖體信息。

2.2? 地質(zhì)雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

青海互助山北特長隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)地質(zhì)雷達(dá)采用美國GSSI公司產(chǎn)SIR-4000地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)（如圖2所示），配合使用100 MHz接地耦合天線，采用間隔觸發(fā)、連續(xù)接收的收發(fā)方式，天線每秒掃描100次；試驗(yàn)探測表明，介電常數(shù)取6，波形疊加次數(shù)定為16 次的效果比較好，在不存在重大干擾的情況下，數(shù)據(jù)處理盡量采用相同或類似的方式。實(shí)際開挖表明地質(zhì)雷達(dá)有效探測距離為30 m。

地質(zhì)雷達(dá)是利用不同地下巖體反射的電磁波信號不同，通過分析電磁反射信號分析巖體情況的儀器，其理論基礎(chǔ)為高頻電磁波理論，雷達(dá)天線發(fā)射高頻電磁波進(jìn)入地下巖體，經(jīng)巖體分界面和斷層破碎帶等反射后返回地面被接收天線所接收，分析電磁波反射信號特征可以得到地下巖體的有關(guān)信息（比如節(jié)理、裂隙、斷裂等）。從雷達(dá)顯示的圖像看，當(dāng)反射波由完整巖層面反射回來時(shí)，反射波波幅較大，同相軸數(shù)量較少，波形完整，之后的圖像進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)的同相軸數(shù)量規(guī)律見表1；反之，若目標(biāo)體中存在斷層破碎帶時(shí)，雷達(dá)的接收信號圖則波幅小、波形雜亂無章，同相軸數(shù)量多。

2.3? 隧道圍巖分級

由前期地質(zhì)勘察獲取的數(shù)據(jù)，對隧道各類巖體進(jìn)行圍巖分級，依據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，隧道圍巖可按照圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ或修正值[BQ]進(jìn)行劃分

BQ=100+3Rc+250Kv，? ? （1）

式中：Rc為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度值，Kv為巖體完整性系數(shù)。

圍巖分級結(jié)果見表2。

3? 應(yīng)用實(shí)例

3.1? 工程地質(zhì)推斷

通過已有的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料、前期勘察資料，以及對隧道軸線走向和掌子面工程進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，了解隧道建造區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，借助地質(zhì)學(xué)經(jīng)驗(yàn)原理，合理推測掌子面前方一定范圍內(nèi)的圍巖情況。

3.2? 地震波法探測

以互助北山特長隧道K40+003掌子面為例，進(jìn)行地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)圍巖分級。此次預(yù)報(bào)使用國產(chǎn)的TGP-206探測儀和配套軟件，對青海加西公路互助北山特長隧道JX-1標(biāo)此方法得出的基礎(chǔ)圖像如圖3和4所示。采集的地震波數(shù)據(jù)包括P波、SH波，以及SV波的波速、接收時(shí)間、波形等信息。依據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，主要工作步驟包括雜波過濾和背景聲去噪、各炮點(diǎn)采集時(shí)間取均值、各類地震波圖像分離（反射波提取、縱橫波分離）、傳播時(shí)間數(shù)據(jù)提取和地震波各型波（P、SH、SV）速度分析后得到隧道掌子面前方的巖層面和不良地質(zhì)體信息，探測器配套軟件計(jì)算地質(zhì)體的厚度、產(chǎn)狀、距離等信息。圖3為原始波形記錄圖及綜合分析圖，圖4為縱波相關(guān)的成果圖及橫波相關(guān)的成果圖。依據(jù)所得圖像進(jìn)行后續(xù)分析。

由綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖、P波、SH波和同側(cè)綜合預(yù)報(bào)成果圖分析得出，在K40+003～K39+853里程段的150 m范圍內(nèi)預(yù)報(bào)結(jié)論：本地質(zhì)單元圍巖以斷層破碎帶及灰黑色片巖為主，隧道圍巖縱波波速同側(cè)波動頻繁，對側(cè)在K39+940附近略有波動，其余基本穩(wěn)定。推斷本地質(zhì)單元巖體與測量段接近，K40+003至K39+853之間存在斷層破碎帶，主要以灰黑色片巖為主，強(qiáng)、中風(fēng)化巖體，裂隙發(fā)育，巖體破碎，小型裂隙帶多發(fā)，巖層較松散，黏結(jié)性較差，遇水易掉塊、坍塌。建議按Ⅴ類圍巖施工，控制巖體開挖進(jìn)尺，及時(shí)跟進(jìn)支護(hù)，注意施工安全。

3.3? 地質(zhì)雷達(dá)探測

應(yīng)用美國SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)對青海加西公路JX-1標(biāo)互助北山特長隧道ZK41+542.8段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，得到的探測圖像如圖5所示。

在地質(zhì)雷達(dá)獲取的圖像中，通過圖像的同相軸的數(shù)量和分布特征大致可以判斷掌子面前方圍巖的等級。同相軸的連續(xù)性越差，圍巖等級越高；波幅變化越大，波形分散、錯(cuò)斷越多，圍巖等級越高。同時(shí)，同相軸的數(shù)量越多，大致表面圍巖等級越高。

由探測圖像及掌子面記錄可知，掌子面前方與當(dāng)前開挖地質(zhì)條件存在階段性差異，存在較為明顯的不同巖體間交替分層特點(diǎn)，巖體仍為強(qiáng)風(fēng)化片巖與坡積土混合體，以黑色片狀灰?guī)r為主，圍巖穩(wěn)定性條件差。測線1掌子面前方8～15 m巖體強(qiáng)度較差，測點(diǎn)2和測點(diǎn)3數(shù)據(jù)較為一致，前方15～20 m區(qū)間巖體較開挖段差，存在局部巖石破碎、強(qiáng)風(fēng)化，伴有裂隙水發(fā)育。綜合三點(diǎn)位勘測結(jié)果看，本次地質(zhì)超前預(yù)報(bào)段為Ⅴ類圍巖，因此，在開挖過程中應(yīng)適當(dāng)注意，加強(qiáng)支護(hù)。

通過對青?；ブ奖碧亻L隧道的8個(gè)隧道施工掌子面進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合地質(zhì)分析法綜合分析，得出的圍巖分級結(jié)果見表3。

4? 結(jié)論

1）綜合使用地震波法和地質(zhì)雷達(dá)法獲得的圖像資料，結(jié)合地質(zhì)推斷法，進(jìn)行隧道圍巖快速分級是可行的，修正了隧道圍巖等級與前期設(shè)計(jì)不吻合的情況，為隧道支護(hù)設(shè)置和施工方案的調(diào)整提供了科學(xué)依據(jù)。

2）掌子面地質(zhì)信息結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息進(jìn)行圍巖快速定級需要結(jié)合工程進(jìn)度進(jìn)行，不同隧道施工區(qū)結(jié)合不同的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段。

3）隧道掌子面地質(zhì)情況的分析和根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的圖像分析前方圍巖等級需要工程師一定的經(jīng)驗(yàn)，以保證圍巖等級的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋先海，顧漢明，肖柏勛.我國隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)述評[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2006（2）：605-613.

[2] 李術(shù)才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（6）：1090-1113.

[3] 姚軍，王睿，夏道洪，等.隧道圍巖分級研究進(jìn)展綜述[J].公路，2021，66（8）：367-372.

[4] 張平松，吳健生.中國隧道及井巷地震波法超前探測技術(shù)研究分析[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2006（10）：1033-1038.

[5] 王振宇，程圍峰，劉越，等.基于掌子面編錄和地質(zhì)雷達(dá)的綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（S2）：3549-3557.

[6] 王明年，劉大剛，劉彪，等.公路隧道巖質(zhì)圍巖亞級分級方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31（10）：1590-1594.

[7] 劉新榮，劉永權(quán)，楊忠平，等.基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37（S2）：51-56.

[8] 劉佑榮，唐輝明.巖體力學(xué)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2008.

[9] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路設(shè)計(jì)隧道規(guī)范：JTG 3370.1—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

[10] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50218—2014[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2014.