水平軟弱巖層高速公路隧道超前地質預報技術

曾曉勤，李輝忠，張 嘯，邱繼云

(四川路橋建設集團股份有限公司公路隧道分公司，四川成都 610200)

在我國高速公路和高速鐵路大建設中，長大隧道、地質復雜隧道的修建也越來越多，但由于地質復雜多變而引起的地質災害事故在隧道建設中屢見不鮮。比如，在我國宜萬鐵路的施工建設中，線路穿越長江水系的巖溶極其發育的灰巖地帶，曾經發生過齊岳山、野山關和馬鹿箐等隧道的大突水事故;2010年1月16號在建南廣鐵路白云隧道發生突發性突水突泥地質災害。因此，隧道施工對可靠、準確的超前地質預報提出了強烈的要求。本文以在建的成都～自貢～瀘州高速公路馬鞍山隧道超前地質預報技術為例進行介紹，給施工單位在類似的隧道施工情況中如何準確、及時預報地質災害和有效規避地質災害事故的發生提供參考。

1 工程概況

在建成都～自貢～瀘州高速公路馬鞍山隧道位于威遠縣境內，左洞長1827 m，右洞長1862 m，左線隧道最大埋深約173 m，右線隧道最大埋深約170 m。其中出口左右線為小凈距隧道。隧道共設車行橫通道2個，人行橫通道4個。

馬鞍山隧道穿越的主要地層即為有砂巖、泥巖等構成的近水平軟弱巖層，這類地層具有以下顯著特點:(1)巖層傾角較緩，一般小于5°，成近水平狀;(2)巖層為砂泥巖互層，層間性質差異大、結合性差;(3)巖層強度低，屬軟巖～極軟巖范疇，其中泥巖遇水后易軟化，易于風化剝落。

沉積巖層層面為水平狀態的巖層稱水平巖層(一般認為水平巖層傾角小于5°)。水平巖層的同一層面海拔高度基本一致。從地質學上看，一般情況下，地質時代較新的巖層位于較老的巖層之上。水平巖層的厚度就是該巖層上下層面的高差，而其上下層面出露界線之間的水平距離的變化則受巖層的厚度和地形坡度的影響。

隧道在接近水平軟弱巖層中開挖，進行超前地質預報的首要目的便是找出軟弱地層的位置，以便在施工中提前采取措施，從而保證施工安全和快速。目前采用的超前地質預報方法種類繁多，且各有優缺點和適用范圍。在馬鞍山隧道中，采用了TSP 和超前水平鉆孔相結合的方法對軟弱水平巖層條件下的隧道施工開展超前地質預報，并取得了很好的實際效果。

2 TSP 超前地質預報基本原理

TSP(TunnelSeismicPrediction)法是利用地震波反射回波方法測量的原理。地震波震源采用小藥量炸藥激發產生，炸藥激發在隧道邊墻的風鉆孔中，通常24個炮孔布置成一條直線。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一個。地震波在巖石中以球面波形式傳播，當地震波遇到彈性波阻抗差異界面時，例如斷層、巖體破碎帶、巖性變化或巖溶發育帶等，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質繼續傳播。反射的地震信號被高靈敏度的地震檢波器接收，其傳播時間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比，因此通過測量直達波速度、反射回波的時間、波形和強度，可以達到預報隧道掌子面前方地質條件的目的。

采用TSP 技術進行預報中，使用的儀器為TGP206 型隧道地質超前預報系統。預報檢測時本工程出口掌子面位于YK114+754 里程處，在YK114+683 里程處右側洞壁風鉆孔中布置預報接收檢波器，接收孔距掌子面71 m，激發炮孔在右壁的里程為YK114+703～YK114+746。在隧道右壁(面向大里程樁號方向)的同一水平線上從里向外布置24個炮孔，炮孔間距2.0 m，炮孔高度1.1 m;與接收孔的最近距離為20 m(圖1)。

圖1 TSP 炮孔布置平面示意圖

3 TSP 超前預報結果

圖2 縱波發射界面提取

圖3 橫波發射界面提取

圖4 巖波速比分布

從圖2～圖4可以看出，馬鞍山隧道已開挖段:圍巖以泥巖、砂質泥巖及砂巖夾煤層為主，節理裂隙發育，層狀巖層為薄層、中層或厚層，層間結合一般。測試結果表明，已開挖段縱波波速為4810 m/s，橫波(Vs)速度為2190 m/s;動泊松比為0.241，屬硬質巖范疇。在K114+765－K114+797 區段出現強烈的正反射，圍巖變硬，整體性變好，可按序施工。在K114+797－K114+825 區段，縱波出現強烈的負反射，說明該段巖體較破碎，完整性較差，風化較重，施工中應密切注意拱頂掉塊及基巖裂隙水的影響。隨著隧道掌子面的不斷推進，深部圍巖內富存瓦斯由于受到隧道施工過程的擾動影響，可能向隧道掌子面溢出并聚積。因此，應嚴格按照相關規定在指定區域進行瓦斯手動檢測，加強隧道通風，重點防止局部瓦斯聚集。

4 超前水平鉆孔預測

4.1 鉆孔方案

本次超前水平鉆孔以探測前方地層條件為目的，同時與TSP 方法的預報結果相對應，從而對掌子面前方圍巖的總體情況進行預測。本次鉆孔設一個超前鉆孔，該孔布置在掌子面上。圖5為該鉆孔的位置布置。

圖5 超前鉆孔位置布置

4.2 鉆孔結果

本次超前鉆孔工作人員在鉆孔機器設備和工具進行質量安全檢查后，開鉆前對機器進行調試，對掌子面當前情況進行詳細觀察后，將放置機械的位置進行整平并設立穩定的臺架，以便能順利的鉆出能準確體現巖層狀況的巖芯。本次鉆孔采用了108、89、75 三種規格的取芯鉆頭，完孔深度為35.8 m。

本次地質超前鉆孔結果表明:掌子面前方35 m 范圍內無構成瓦斯事故危險的煤層;超前地質鉆孔實施過程中無卡鉆、頂鉆和噴孔等現象，打鉆前后掌子面無瓦斯，鉆孔內也無瓦斯涌出，表明該探測范圍內瓦斯賦存少，瓦斯大面積涌出的可能性小;鉆孔內無涌水。通過超前鉆孔鉆探，隧道出口掌子面前方17 m 范圍圍巖破碎、取芯率為30 %～40 %，RQD 值為13 %～50 %，但隨后圍巖完整性會變好，這與TSP預報結果一致。

5 結論及建議

(1)在軟弱水平巖層中，通常會出現以砂巖為主的硬巖和以泥巖為主的軟巖互層的情況。在這種情況采用TSP 方法對掌子面前方進行超前地質預報，可以獲得150 m 范圍以內隧道軸線方向圍巖軟硬情況的大致分布。

(2)在縱波波速較低以及強烈的負反射區段，輔以超前水平鉆孔方法，對前方的圍巖具體情況進行取芯驗證，從而做到超前地質預報的“洞內外結合，以洞內為主;長短結合，以短為主;地質與物探結合”的原則，取得較好的超前地質預報效果。

(3)采用TSP 方法結合超前水平鉆孔的綜合超前地質預報在軟弱水平巖層中預報距離長，對隧道的施工影響較小，預報及時、準確且精度高，使得隧道施工安全順利的進行，避免不良地質災害造成生命安全和財產的損失，節約了工程的經濟成本。

(4)在做TSP 測量和水平超前地質鉆孔時，預報人員注意現場周圍圍巖地質的變化以及地下水的變化情況，將足夠的合理的現場測試結果與提供的工程地質素描圖及其地質勘察數據對比，運用地質和巖體力學等知識和前人總結的經驗就會得出較高精度的超前地質預報結果。

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