隧道超前地質預報重疊段結論不一致的處理

陳利杰

（贛龍復線鐵路有限責任公司 龍巖 364000）

由于地下工程施工過程的不確定性，為確保隧道施工安全，在鐵路行業，隧道超前地質預報已被要求納入工序管理，其目的是：①進一步查清隧道開挖工作面前方的工程地質與水文地質條件，指導工程順利進行；②降低地質災害發生的機率和危害程度；③為優化工程設計提供地質依據［1］。

常用的超前地質預報方法有地質調查法、超前鉆探法、物探法、超前導坑預報法，其中物探法包括彈性波反射法（地震波反射法、水平聲波剖面法、負視速度法和陸地聲納法等）、電磁波反射法（地質雷達探測）、紅外探測、高分辨直流電法等。目前，在實際工作中，地震波發射法的應用相對普遍和成熟。

地震波反射法連續預報時前后2 次應重疊10m 以上，在軟弱破碎地層或巖溶發育區，一般每次預報距離應為100m 左右，不宜超過150m；在巖體完整的硬質巖地層每次可預報120～180 m，但不宜超過200 m。在地震波反射法超前地質預報實施過程中常常出現重疊段波速不一致的情況，本文以某雙線鐵路隧道超前地質預報為例，在分析這一現象形成原因的基礎上，提出針對性處理措施，以期為隧道超前地質預報提供借鑒。

1 工程概況

贛龍鐵路擴能改造工程汀州隧道位于福建省長汀縣境內，起始里程DK146＋720，終點里程DK154＋458，全長7738 m，洞身最大埋深約600m。

隧址區位于泉上－長汀復式向斜，基底出露震旦紀和早古生代地層，震旦系為一套板巖、變質砂巖和千枚巖夾硅質巖和磷塊巖、黃鐵礦薄層。隧址區地質構造較復雜，據區域資料、沿線實地勘察及物探測試結果綜合分析，在該地區發現斷裂構造7條及4條節理發育密集帶，全隧地下水發育。根據勘探資料，隧道可能存在以下幾種不良地質：高地溫、硬質巖爆、軟巖大變形等。主要地層巖性為變質砂巖、頁巖、板巖，按照隧道設計圖，不同圍巖級別的長度及所占百分比分別為：II級圍巖長1 545m（占20%），III級圍巖長4 562m（占59%），IV 級圍巖長788m（占10.1%），V 級圍巖長843m（占10.9%）。

隧道施工超前地質預報采用工程地質分析與物探探測相結合的方式進行。物探探測主要采用電磁波反射法和地震波反射法。電磁波反射法采用瑞典MALA 地球科學公司生產的RAMAC X3M 型探地雷達。探測時，使用發射頻率為100 MHz的屏蔽天線。地震波反射法采用北京水電物探研究所生產的TGP206A 型隧道超前地質預報儀［2－3］。

2 主要問題

在汀州隧道地震波反射法超前地質預報探測過程中出現前后2次預報重疊段縱波波速不一致，圍巖級別判釋結論不一致。例如：汀州隧道進口DK146＋971～DK147＋131段和DK147＋095～DK147＋215段重疊段TGP 預報結論顯示有所差異，見表1和圖1、圖2。

表1 前后2次重疊段結論對比

圖1 綜合偏移處理成果圖（DK146＋971～DK147＋131段）

圖2 綜合偏移處理成果圖（DK147＋095～DK147＋215段）

從表1 和圖1、圖2 可看出，DK146＋971～DK147＋131 段和DK147＋095～DK147＋215段重疊段為DK147＋095～DK147＋131段，前后2次探測結果顯示：判斷的圍巖縱波波速和圍巖級別均不一致，地下水的發育程度也不一致。

3 原因分析

地震波反射法超前地質預報是根據處理后的縱橫波波速分布圖、縱橫波繞射偏移圖和界面反射情況進行綜合分析，推斷開挖面前方圍巖的工程地質、水文地質條件；結合掌子面及激發炮孔段的圍巖級別及物理力學參數、波速分布、地下水及軟弱夾層情況，參照鐵路隧道圍巖級別的分類方法對圍巖級別進行評估和推斷。汀州隧道采用地震波反射法超前地質預報探測過程中出現前后2次預報重疊段縱波波速不一致，圍巖級別判釋結論不一致的原因主要有：

（1）縱波波速方面。第一次（DK146＋971～DK147＋131段）預報的總長度（160 m），重疊段距預報起始位置的距離（124m）。因為地震波能量弱、經長距離傳播后能量更低、界面反射信號弱是導致較遠區段預報準確性降低的主要原因［4］。

此外，由于汀州隧道圍巖較破碎，地震波反射法超前探測過程中很多炮孔水封效果不好（在往炮孔注水過程中，水直接沿節理、裂隙流走）。這些水封效果不好的炮孔由于爆破激發地震波的大部分能量直接由孔口溢出，所以沿圍巖傳播的能量較弱，這導致較遠區段預報的準確性明顯降低。此外，由于汀州隧道大量地段采用臺階法施工，地震波反射法所需的炮孔在很多情況下不能全部布置在一條直線上，這也使較遠區段預報的準確性明顯降低。從而出現前后2次預報重疊段縱波波速不一致。

（2）圍巖級別方面。圍巖級別受諸多因素（如巖塊的強度、完整性、結構面的發育情況、地下水、構造應力等）的影響，縱波波速不能全面地反映這些因素的變化。薄的軟弱夾層并不能使波速明顯降低，但對圍巖的穩定性卻有較大影響。超前地質預報判釋結論主要根據探測成果中的縱、橫波波速分布，按照《鐵路隧道設計規范》（TB1003－2005）中的“圍巖基本分級標準”進行圍巖基本分級。由于基本分級為未考慮地下水和其他因素對圍巖穩定性影響下的分級，所以還需結合其他因素對圍巖級別進行修正?？紤]探測區域不同區段地下水的發育情況對圍巖基本分級進行地下水影響修正。按照《鐵路隧道設計規范》（TB1003－2005）及《鐵路隧道噴錨構筑法技術規范》（TB10108－2002）中“地下水影響對圍巖級別修正”的相關規定，地下水發育地段，圍巖級別降一級。

在汀州隧道地震波法的多次探測成果的綜合偏移圖、縱橫波繞射圖中均出現正、負反射交替出現，但縱波波速并未出現鋸齒形高低起伏的信息。這說明探測區段軟弱夾層發育但厚度不大，與開挖揭示的情況一致。由于軟弱夾層不厚，加之軟弱夾層是區域性動力接觸變質作用形成的，在未開挖條件下與周邊巖層呈擠壓密貼狀態，所以不會使波速明顯降低。上述原因導致汀州隧道地震波探測所得圍巖的縱波波速比其他地方同級別圍巖的略高?？紤]到該隧道的軟弱夾層多為炭質頁巖，受水浸潤易軟化、崩解，受其影響圍巖易滑落、掉塊甚至塌方，對圍巖穩定的不利影響很大。綜合考慮地下水、軟弱夾層等影響因素，對根據波速判定的圍巖基本等級進行修改后，得出最后的圍巖等級。

《鐵路隧道設計規范》（TB1003－2005）中圍巖基本分級（未考慮地下水及其他修正）為Ⅰ級的縱波波速為大于4 500m／s?？紤]地下水影響修正后為II級，考慮軟弱夾層對波速及圍巖穩定性的影響后，圍巖級別還應降低。所以在汀州隧道預報中，將波速在5600 m／s以上、軟弱夾層發育，地下水發育或較發育地段的圍巖評估為III級?！惰F路隧道設計規范》（TB1003－2005）中圍巖基本分級（未考慮地下水及其他修正）為II級的縱波波速為3500～4 500m／s?？紤]地下水修正后為III級，考慮軟弱夾層對波速及圍巖穩定性的影響后，圍巖級別還應降低。所以在汀州隧道預報中，將波速在4500 m／s以內、軟弱夾層發育、地下水發育或較發育的地段圍巖評估為IV 級。

4 處理措施

分析表明，重疊段預報成果不一致的主要原因是預報的距離長、圍巖破碎造成地震波能量減弱，影響了預報的準確度，以及地下水的發育情況、軟弱夾層對圍巖級別的修正。為解決地震波反射法超前地質預報探測過程中出現前后2次預報重疊段結論不一致的問題，在上述原因分析的基礎上，提出以下措施：

（1）縮短地震波反射法的預報距離，一次以100m 長為宜。

（2）提高破碎圍巖中地震波數據的采集質量，具體包括：確保炮孔深度，圍巖與初期支護不密貼時適當增加炮孔深度，鉆孔后插入PVC管防止坍孔；炮孔向下傾斜，確保水封效果；采取措施，使炮孔、接收器孔在一條直線上等。

（3）采取長、中、短距離預報相結合和不同預報手段相組合的綜合預報方法，并將各預報手段獲得的資料進行綜合分析與判斷。

（4）對不同預報手段“揚長避短”，對需要預報的隧道進行地質復雜程度分級，根據可能存在的不良地質與特殊巖土選擇適合各隧道不同段落地質條件的綜合預報方法。

例如：斷層預報以地質調查法為主，必要時采用紅外探測、高分辨直流電法探測斷層帶地下水的發育情況及超前鉆探法驗證；巖溶預報以地質調查法為基礎，以超前鉆探法為主，結合多種物探手段進行綜合超前地質預報，并采用宏觀預報指導微觀預報、長距離預報指導中短距離預報的方法；煤層瓦斯預報以地質調查法為基礎，以超前鉆探法為主，結合多種物探手段進行綜合超前地質預報；涌水、突泥預報以地質調查法為基礎，以超前鉆探法為主，結合多種物探手段進行綜合超前地質預報［5］。

在采用上述方法后，超前地質預報的準確度明顯提高。

5 結語

超前地質預報作為隧道工程施工過程中規避施工風險的一項重要保證手段，已被廣泛運用。超前地質預報的預測精度是隧道施工安全的基本前提，而隧道超前地質預報重疊段預報成果不一致一直是隧道超前地質預報實際實施時的難點。從汀州隧道實際預報過程來看，隧道超前地質預報重疊段預報成果不一致的主要原因有：預報手段局限性的影響、預報操作技術的影響、客觀地質條件的影響。在施作隧道超前地質預報時可以通過縮短預報長度、改進預報操作技術、優化預報手段來綜合解決超前地質預報重疊段結論不一致的技術難點，提高超前地質預報的預測精度，為隧道安全施工提出準確的指導意見。

［1］齊傳生，周振國，楊世武，等.鐵路隧道超前地質預報技術指南［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［2］趙永貴，劉 浩，孫 宇.隧道超前地質預報研究進展［J］.地球物理學進展，2003（9）：460－464.

［3］李天斌，孟陸波，朱 勁.隧道超前地質預報綜合分析方法［J］.巖石力學與工程 學報，2009（12）：2429－2436.

［4］汪成兵，丁文其，由廣明.隧道超前地質預報技術及應用［J］.水文地質工程地質，2007（1）：120－122.

［5］李 勇，孫喜峰，李 廷.隧道施工地質超前預報方法［J］.地質與資源，2004（6）：79－83.