超前地質預報技術在龍潭隧道中的應用研究

劉永奎，柴琦龍

（中鐵十四局集團有限公司，山東濟南 250013）

0 引言

近年來，為了加快我國西部地區經濟的發展，西部大開發戰略正在步步展開，我國的基礎建設也邁入了前所未有的一個蓬勃發展的階段。而基礎建設的重中之重——道路建設中，深埋、長大隧道更是屢見不鮮，難度也是越來越大，安全事故時有發生，這與復雜難料的圍巖地質情況息息相關。隧道超前地質預報是隧道施工過程中防止突發性自然災害的最有效手段，能充分彌補現有地表勘測方法的不足。

隧道超前地質預報不但要在時間上提前，更要在距離上超前，以給施工變更留有充分的準備時間。常規的超前地質預報主要以地質分析法為主，該方法在解決區域地質以及淺埋簡單的地質情況下有一定的優勢，但是長大隧道的地質情況瞬息萬變，使用單一的地質分析法不能準確預測這些變化及其位置和規模，但這些異常恰恰是影響隧道圍巖穩定的最重要因素，直接影響施工進度和經濟效益，所以地球物理探測方法越來越受到管理部門和廣大工程技術人員的重視。作為滬蓉西高速公路的控制性工程龍潭隧道在施工過程中采用多種地球物理探測手段，并輔以超前探孔的地質預報方法，在避免地質災害的發生方面起到一定作用，對后續類似工程具有借鑒意義。

1 工程概況

龍潭隧道是滬蓉西高速公路宜昌到恩施段的控制性工程。上下行分離式隧道，左線全長8694m，右線全長8620m，兩線在洞口的凈距約20～30m，在洞身段的凈距30～40m，最大埋深530m。

隧址區屬于構造溶蝕、侵蝕低中山溝谷地貌區，地形條件很復雜。隧道主要穿越堡鎮-碑坳分水嶺，區內沖溝發育，分水嶺兩側的主要沖溝有頭道河、龍潭溝、青巖溝等，而且它們的走向均與地層構造線基本平行。隧道穿越的主要地質構造為長陽復背斜和天陽坪斷裂以及仙女山斷裂及其分支斷裂，地質構造相當復雜。

本區地層的巖性主要是志留系砂頁巖和奧陶系碳酸鹽巖地層，多屬于可溶巖。地下水以巖溶水為主，基巖裂隙水和孔隙水對工程施工影響和危害程度較輕。按常規分析龍潭溝北側巖溶水應順層向西側侵蝕基準面，在低洼處排泄，但是由于受地層可溶性差異、構造等因素影響，使地下水的徑流條件更加復雜。

隧道初步勘察認為龍潭隧道施工過程中的主要工程地質問題是F1和F2兩條斷層和巖溶問題。在隧道出口段施工過程中可能發生突水涌泥及斷裂破碎巖層的坍塌冒頂，在雨季甚至可能發生洞穴充填物塌陷及溝水倒灌。

2 預報方法簡介

鑒于龍潭隧道在整條線路中特別重要的地位和圍巖復雜性，基于安全和效益的考慮，只采用一種預報方法，難以滿足要求。根據隧道具體特征采取多手段結合的超前地質預報技術，能夠使各種方法的優勢互補，達到安全高效的目的。經過認真的論證后，決定以TSP超前地質預報系統為主，輔以探地雷達、紅外探水等地球物理無損探測技術，并結合地質分析和超前水平探孔及地質勘察資料，對隧道施工影響區域內的圍巖狀況進行全面立體的預報，涵蓋不良地質體的起止、洞穴的形狀、地層的走向、圍巖特性和地下水的情況等。

2.1 TSP超前地質預報系統

TSP超前地質預報系統的采集方式是在邊墻設置多點微型震源，激發地震波，以球面波的形式在圍巖中傳播，當地震波向前傳播遇到斷層破碎帶、溶洞、暗河等不良地質體的界面時，就會發生反射，其信號會被高靈敏度的檢波器接收，再轉換成電信號加以放大。通過震源與檢波器的位置關系和直達波的接收時間，可以確定波速（公式1）。在波速一定的前提下，從起爆到不良地質體的反射信號被接受，這段時間是與距反射界面的距離成比例的，然后由反射時間和地震波的速度進行換算。在地震波傳播速度已知情況下，通過測得的反射波傳播時間，推導出反射界面與傳感器之間的距離，從而間接得到反射界面與掌子面的距離，理論公式如式（2）。由于發射和接收的是球面波，所以可以得出反射面的位置和與隧道軸線的夾角，從而確定出距掌子面的距離和大體的形狀，同時還可以通過對波速的計算，類比以往工程中專家經驗將巖性的變化顯示出來。TSP超前地質預報系統在Ⅱ、Ⅲ級較好圍巖中能夠預報130～180m，在Ⅳ、Ⅴ級較差圍巖中能預報80～120m。具有操作簡單、耽誤施工少、預報距離長等特點，但是由于它是針對隧道掘進機而研制的，所以對于小規模的地質缺陷不是很敏感[1-6]。

式中:L1—震源到傳感器的距離；

T1—直達波到達傳感器的時間；

式中：T2—反射波傳播時間；

L2—爆破孔到反射面的距離；

L3—傳感器到反射面的距離。

2.2 地質雷達技術

地質雷達（Ground Penetrate Radar簡稱GPR）是利用不同巖體的帶電性存在很大差異來對圍巖進行探測的一種廣譜電磁波方法。根據波動理論，其波動方程是：式中:e-βr表示電磁波的場強值隨著離場源距離的增大而減小，β稱為吸收系數；αr表示電磁波傳播過程中的相位項，α稱為相位系數。

由于電磁波傳播速度：

當電磁波的頻率極高時，（4）可簡略為

式中：C是電磁波在真空中的傳播速度；ε是介質的相對介電常數。

由于地質雷達采用的是高頻電磁波，而同頻電磁波在真空中的傳播速度是相同的，所以地質雷達發出的電磁波在地下介質中的傳播速度主要取決于介質中的相對介電常數。電磁波以短脈沖形式由地面向下入射，經反射回到地面，需時：

式中:Z——反射界面深度；v——介質中的傳播速度。

再由:

式中：C=3×108m/s；

ε—介質的相對介電常數。

所以（7）式中的t和V已知，從而求出反射界面的深度Z[7-9]。

在現場操作時，利用一個發射天線將高頻電磁波激發到要預報的圍巖介質中，而用接收天線接收反射回來的信號?，F在，探地雷達技術已經成為短距離的超前地質預報最重要的手段，由于其重演性高，可以比較準確地判斷出30m范圍內的不良地質體，如：溶洞、暗河、斷層破碎帶、節理裂隙發育區。其中探地雷達最大的優點就是對探測與洞穴有關的地質異常時特別敏感，從而可以有效地預報溶洞，也在一定程度上彌補了TSP對于小溶洞不靈敏的不足。

2.3 紅外探水技術

紅外探水法探測隱伏的含水構造或微含水構造，基本原理是不同地質體具有不同的熱性質，能發射出不可見的紅外場，這場的大小與物體的發射率成正比，而發射率的大小取決于物體的性質及其表面情況，簡單說即水比巖石的熱導率低。當隧道外圍包括掌子面前方不含隱伏異常構造時，其紅外發射場為一正常場，當隧道外圍包括掘進前方存在隱伏的含水構造時，構造就要產生異常場，迭加到正常場以后，使正常場發生畸變，我們就可以從曲線的變化規律上分析出是否含有隱伏構造，從而實現隧道立體全方位的查找隱伏構造[10]。

3 工程預報實例

3.1 TSP超前地質預報系統

本次預報使用的是瑞士Amberg工程技術公司研制并已擁有專利的隧道地震探測儀器——TSP 203 plus。在龍潭靠近掌子面（ZK72+781）的右邊墻上沿直線向洞口方向每隔1.5m布置一個深1.5m鉆孔，下傾角度10～15O，共布設24個。 然后在ZK72+838處布置一個接收器孔，深度為1.95m。用自動測平儀和激光測距儀確定出各個激發孔具體的傾角、方位角、深度和間距，記錄在案，這些是信號分析和處理所必需的。

在采集過程中采用瞬發電雷管引爆孔內微量炸藥，并采用水封炮孔等方式，確保信息采集效果，其他儀器參數均取默認值，本著距離適中，保證精度的原則。預報范圍：ZK72+781～ZK72＋650，共計131m。在輸入相關激發孔和接收器孔的參數及炸藥（乳化炸藥）藥量等參數后，經過TSPwin軟件的地震波濾波計算后，發現ZK72+762附近有較強的負反射（如圖1中的藍色），表明此處圍巖的巖性發生較大變化，而且在隨后的42m范圍內，反射面明顯增多，且以負反射居多，表明圍巖的節理裂隙較發育，完整性較差。再比較縱波和橫波的提取圖以及查看縱波和橫波的速度比，可以看出此段范圍內含水的可能性較大。綜合考慮各個方面可以斷定此處就是F2斷層所在具體位置。從ZK72+720開始，有一強烈的紅色正反射，再結合2D圖、速度圖、巖性圖，可以發現此段圍巖反射面較少且以正反射為主，速度較高，密度較大，泊松比較小，從上述分析可以看出，圍巖在此處開始稍微變好，趨向于完整，但再向前總體來說，還是負反射較多，且較強，因此可以確定在ZK72+650之前隧道基本在斷層影響帶內。后經超前水平探孔和開挖得知，預報結果的誤差在2m左右，實際開挖時，圍巖在ZK72+761附近開始變差，并出現磨礫巖，與預報的地質情況基本吻合。

圖1 TSP反射層提取圖

3.2 探地雷達

在開挖過程中，直到ZK72+764附近（出口端由大里程向小里程掘進），隧道的圍巖還是完整的碳酸鹽巖，未曾出現一點破碎的跡象，考慮到碳酸鹽巖是可溶性巖石和TSP的預報結果，因此不排除有溶洞的可能，為了施工安全，防止涌水和突泥的發生，決定采用探地雷達來對前方的圍巖進行有針對性的超前地質預報。

信號采集在掌子面ZK72+764上進行，采用SIR-3000型地質雷達，其測線布置如圖2所示。參數設置：時間域采樣間隔1ns，時窗開至400ns，介電常數7.8，為了加大探測深度故配置了頻率為100M的天線。通過對該測線進行連續4次的信號采集后，對探測所得的回波進行漂移去除、零線設定、背景去噪、增益、平衡和混波處理后，得到回波圖，如圖3所示?？梢钥闯鲈?m深處，回波發生畸變，負反射開始急劇變大，表明圍巖中開始出現空洞或者軟質充填物。從3m處沿軸線延伸12m左右，負反射變化劇烈，表明圍巖中出現不良地質體，而且形體巨大，橫跨在掌子面前方。后經超前水平探孔和開挖得知，此段為一被硬塑黃泥和巨大孤石共同充填的特大充填型溶洞，預報情況與實際開挖情況基本吻合。

圖2 雷達探測軌跡

圖3 探地雷達回波圖

3.3 紅外探水

在做了雷達探測，對于前方的圍巖情況有了一個比較詳細的了解以后，項目部對掌子面繼續進行掘進，在掘進到ZK72+761附近時，開始出現少量的黃色硬塑泥土，再向前開挖1m左右，黃色硬塑泥土幾乎覆蓋了掌子面，并偶有巨塊的孤石包裹其中，重達20多t，孤石間存有面積為20cm2的空洞，伴有呼呼的風聲和微弱的水聲?？紤]到TSP預報中，此段可能含水，且通過已開挖段的地質素描，結合目前掌子面情況，進行地質分析可以推斷出前段可能存在隱伏的含水構造，為了防止突水涌泥災害發生，項目部決定進行紅外探水預測，從而對TSP和GPR結果進行驗證對比。

儀器是煤炭科學院研制的HY-303型防爆紅外探測儀。測點布設是從掌子面（ZK72+761）向洞口方向按左拱腳、左拱腰、拱頂、右拱腰、右拱腳的順序進行測試，每個斷面的測點布置如圖4所示，每5m測取一組數據，共12個斷面，總長60m，并繪制相應的輻射曲線，如圖5所示，根據曲線的趨勢判斷前方有無含水。對比處理后的五條場強曲線，可以看出左邊墻中部和左起拱線處場強值均有明顯的降低，并結合TSP的含水預報，推斷認為掌子面左前方可能存在隱伏的含水構造，后經水平鉆探和現場開挖得知，在ZK72+757附近出現較大的流水，與預測情況完全吻合。

圖4 紅外線探軌跡

圖5 紅外線探水成果圖

3.4 建議

通過這一工程案例的成功實施，三種無損探測方法各有優缺點，導致其適用性存在差異，在保證預報精度的前提下，從預報距離上來說，TSP的預報距離在100m左右，視圍巖條件可以進行適當調整；地質雷達的探測距離一般在30m以內；紅外探水的功能相對單一，預報距離也一般控制在20m以內，且不能準確確定位置。

在隧道施工過程中，建議全程采用TSP進行長距離預報，盡可能少的干擾施工基本作業，通過分析TSP預報結果，對隧道可能發生地質災害的段落采用地質雷達進行針對性預報，對于可能存在地下水體的段落進行輔助性紅外探水驗證工作，從而盡可能地避免漏報、誤報現象的發生，保證隧道超前地質預報的準確性。

4 結論

（1）超前地質預報都有其局限性，在實踐過程中要結合具體的隧道和地質條件綜合運用。

（2）TSP作為長距離預報手段，貫穿整個施工期的預報方法是比較可取的；地質雷達作為短距離、高精度的預報手段在潛在不良地質段具有較高的可信性；紅外探水攜帶方便、操作簡單可以對短距離內含水構造的存在與否做進一步的驗證。

（3）預報過程中要對不同手段的局限性有清楚認識。TSP系統對于較小洞穴、沿軸線的順層變化不敏感；雷達探測的距離較短，對探測位置平整度有較高要求；紅外探水對于隧道內熱源比較敏感，尤其是近掌子面的噴射混凝土。

（4）現場地質預報工作要從洞內與洞外兩個環境、鉆探與物探兩個方法、長距離低精度與短距離高精度不同物探手段三個方面著手，倚重科學結合的物探手段，注重鉆孔驗證，避免地質災害的發生。

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