隧道施工中“長短結合”地質預報

徐光銘， 徐新川

（吉林大學建設工程學院，吉林長春 130021）

0 引 言

隧道工程是一項非常復雜的項目，由于地質條件的多樣性和復雜性，在施工建設中不可避免地會出現各種各樣的地質災害，例如斷層、突水、突泥、塌方等。這些災害的發生不僅延誤了工程進展，更給社會、國家和人民造成了巨大的影響和損失。正是由于這些原因的存在，隧道的地質超前預報工作越來越受到設計單位和施工單位的重視，它能準確預報掌子面前方一定距離的地質情況，為應對可能出現的前期探測未發現的地質災害做好準備工作，以防止安全事故的發生。此外，超前地質預報工作還可以為設計單位做設計變更提供必要的資料。因此，超前地質預報工作對隧道工程而言是一項非常重要和必須的工作，應該得到大家的重視。

1 國內外常用的隧道超前地質預報方法

隧道超前地質預報的方法很多，大致分為物探方法、地質方法和化探方法。物探方法包括TSP法、TRT法和地質雷達法等；地質方法包括掌子面超前鉆孔法和掌子面地質編錄法等；化探方法包括對斷層的二氧化碳、氡氣、汞蒸汽等化學氣體的探測。其中，TSP法和地質雷達法是比較常用的兩種方法［1］。

TSP（Tunnel Seismic Prediction ahead），即隧道地震波超前預報，是一種在國內外都比較先進的地質預報方法，它的一次預報距離比較長，最多可達到150 m，適用于幾乎全部類型地質條件的隧道檢測。而且現場檢測所花費的時間較短，對隧道施工的影響較小，費用也相對較低［2］。通過TSD軟件的處理，可以得到深度偏移剖面圖、巖石物理力學參數及縱橫波的波速圖等。通過對這些圖像進行深入分析，再結合現場觀察情況，可以對掌子面前方一定距離內的圍巖等級、地質狀況等有一個比較準確的預報。不過，在實際應用過程中，TSP法的許多問題也是顯而易見的，其中，一個比較突出的問題就是對一些不良地質情況的判斷，主要是根據技術專業人員的多年實測經驗，而這方面的明確指標很難制定。

地質雷達法一次預報距離較短，但在現場人員的積極配合下，它所花費的時間比TSP法要明顯縮短，而且它對溶洞和水比較敏感，在隧道開挖過程中，可以實現全過程的跟蹤預報。地質雷達最初是在國外開始流行使用的，他們對這方面的現場操作、數據處理和圖像分析的經驗比較豐富，使得地質雷達在隧道工程中的應用比較普遍。而國內對地質雷達的引進使用比較晚，對它的認識還不全面。

綜上所述，TSP法和地質雷達法在隧道超前地質預報中都有各自的優勢和不足之處，在隧道超前地質預報中單一的采用任何一種方法，預測結果都會存在一些偏差。為充分利用兩種方法的優勢，文中提出在地質超前預報工作中采用“長短結合”的預報方法，即TSP法和地質雷達法相結合。

2 方法原理介紹

2.1 TSP法

TSP超前地質預報系統主要由3部分組成：TSP主機、接收器和引爆器。它運用的是地震波的回波測量原理［3］，如圖1所示。

圖1 TSP法工作原理示意圖

地震波波源采用微量乳化炸藥激發產生，大致為50 g，可根據具體地質條件適當增減。通常在隧道的一側邊墻直線布置24個炮孔，第一個炮孔距離掌子面大約5 m左右，每個炮孔間距1.5 m，深1.5 m，高1 m，最后一個炮孔距離接收孔20 m。接收孔要求深2 m，高1 m，用于接收器的安放。爆破產生的地震波在巖石中以球面波形式傳播，當地震波遇到巖石物性界面（即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的接收器接收。反射信號的旅行時間和反射界面的距離成正比，故而能提供一種直接的測量。

2.2 地質雷達法

地質雷達與對空雷達的原理十分相似，都是基于地下介質的電性差異，向地下發射高頻電磁波，并接收地下介質反射的電磁波進行處理、分析、解釋的一項工程物探技術［4］。其工作原理如圖2所示。

圖2 地質雷達工作原理圖

通過發射天線向掌子面前方發射高頻電磁脈沖信號，在電磁波向前傳播的過程中，當遇到空洞、裂隙、巖溶、富含水等電性差異的目標體時，電磁波便會反射回來，并由接收天線接收記錄反射時間t［5］。

地質雷達探測原始剖面上含有較多的干擾波存在，主要為側面反射波、多次波及因掌子面凹凸不平形成的局部振蕩干擾［6］。為了消除干擾信號，突出掌子面前方的有效信號，對原始探測剖面采取了去直流漂移、自動增益控制、抽取平均道、帶通濾波等處理，最后根據電磁波在圍巖中的傳播速度計算異常體的存在范圍［7］。

3 工程實踐

正在修建的山東省某城市環城路隧道，隧道采用雙向六車道山嶺隧道形式，左線（樁號ZK1＋149～ZK2＋299）長1 150 m，右線（樁號YK1＋152～YK2＋300）長1 148 m。隧址區屬低山丘陵、剝蝕殘丘地貌，山體植被發育，沿線有薄層第四系松散堆積物覆蓋，地段基巖裸露，出露巖層為奧陶系下統馬家溝組灰巖。沿線地下水類型主要為四系松散堆積孔隙水和石灰巖巖溶裂隙水。為探明隧道前進方向的地質災害情況，在施工單位的要求下，采取了“長短結合”的超前地質預報技術，取得了比較好的效果，為隧道施工提供了可靠的參考依據。

下面以左線的一段ZK1＋209～ZK1＋299為例。先看一下用TSP法探測的地質情況，圖中方框部分為反射異常區域，如圖3所示。

圖3 TSP深度偏移圖

預測范圍內地質情況見表1。

表1 TSP預測地質情況表

從圖3結果來看，前方地質情況比較復雜，波速相對較低，圍巖等級比較差。推斷在掌子面前方90 m范圍內，圍巖等級為Ⅴ級，巖體比較破碎，穩定性差，且掌子面前方63 m（樁號ZK1＋272）附近有一個比較明顯的弱反射帶，波速下降明顯，推斷可能為一碎石夾層。為了確保施工安全性，當開挖至樁號ZK1＋261時，用地質雷達又做了一次預測試驗，探測結果如圖4所示。

結合掌子面的地質情況和施工圖紙，預測在樁號ZK1＋271附近有一個碎石夾層，與TSP預測結果基本吻合。實際的開挖結果證明了預測的準確性，確實是一碎石夾層。

4 結 語

通過大量的工程現場測試，可以對隧道地質超前預報工作做出一些總結：

1）隧道地質超前預報對于隧道工程的施工是有很大的指導性意義的，在隧道施工過程中，及時開展超前預報工作，應該得到各個施工單位的重視。在測試過程中，施工單位要給予積極的配合和幫助，減少機械設備的影響，保證測試結果的準確性［8］。

2）“長短結合”的地質預報方法對于一般性的隧道，其預測結果基本上滿足要求。但對于一些地質情況特別復雜的隧道，應該同時采取多種預測手段，為隧道施工提供更加準確的資料。

3）TSP法和地質雷達法的解釋過程需要有經驗豐富的人做指導，還必須結合現場的地質情況。地質預報預測結果的準確度還有待進一步提高。

［1］ 王夢恕.對巖溶地區隧道施工水文地質超前預報的意見［J］.鐵道勘察，2004（1）：33-36.

［2］ 葉英.隧道超前地質預報方法探討［C］／／2003年公路隧道年會論文集.2003.

［3］ 宋先海，顧漢明，肖柏勛.我國隧道地質超前預報技術述評［J］.地球物理學進展，2006（2）：25-27.

［4］ 范占鋒，李天斌，孟陸波.探地雷達在公路隧道超前地質預報中的應用［J］.物探與化探，2010（1）：12-14.

［5］ 薛翊國，李術才.隧道施工期超前地質預報實施方法研究［J］.巖土力學，2011（8）：31-34.

［6］ 祝云華，劉新榮，黃明.超前地質預報在歌樂山隧道施工中的應用［J］.地質災害與環境保護，2008（1）：29-31.

［7］ 袁春，王嵩嵩.瞬變電磁法在礦區水文地質勘查中的應用［J］.長春工業大學學報：自然科學版，2012，33（2）：223-226.

［8］ 余中明.探地雷達在隧道掘進預報中的應用［J］.地質與勘察，1999，35（3）：30-31.