隧道綜合超前地質預報技術應用研究

熊春發，任少博，王淑英，姜洪亮

(1.廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西　南寧　530007)

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隧道綜合超前地質預報技術應用研究

熊春發1，2，任少博1，2，王淑英1，2，姜洪亮1，2

(1.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西南寧530007)

摘要：在不良地質地區的隧道施工過程中，涌水、塌方等地質災害風險較高，給施工帶來了重大安全隱患。目前地質災害的物探方法各有其優缺點，為了提高預報的準確性，使用多種方法開展綜合超前地質預報十分必要。文章以欽崇路四方山隧道為例，將彈性波反射法和地質雷達法相結合，對隧道開挖掌子面前方的破碎帶、節理裂隙、富水段等不良地質進行了有效的綜合預報，所采用的預報手段和思路可供類似工程借鑒。

關鍵詞：隧道；地質災害；超前預報；彈性波反射法；地質雷達法；綜合應用

0引言

隨著西部大開發進程的加快，近年來在地形、地貌及地質條件復雜地區修

建的長大隧道越來越多，修建技術越來越復雜，隧道修建的同時也伴隨著塌方、涌水涌泥等地質災害的風險[1，2]，面對這些地質災害，如果沒有良好的預警預報措施，將會給施工帶來重大安全隱患，造成工程投資增加，工期延長，甚至會造成人員傷亡。

為了保證隧道施工安全，減輕突水突泥、塌方冒頂等災害損失，在施工中進行地質超前預報工作，對隧道開挖掌子面前方不良地質體進行探測，是保證工程質量和施工安全的重要環節和措施。目前常用的地質預報方法分為兩大類：地質分析法、地球物理法(包括彈性波反射法、地質雷達法、瞬變電磁法、陸地聲納法、紅外探測法等)[3-5]，各種物探方法各有其優缺點。綜合超前地質預報方法，就是在先期地質分析并對不同地段劃分風險等級的基礎上，根據隧道洞內勘察與洞外勘察相結合，地質分析與物探分析相結合，長距離預報與短距離預報相結合的原則，合理地選用不同物探手段對工作面前方的地質情況進行預報的方法。開展綜合超前地質預報，可提高預報的準確性，具有重要的理論意義和工程實用價值。

本文以欽崇路四方山隧道為例，將彈性波反射法和地質雷達法相結合，對隧道開挖面前方的塌方、涌水等地質災害進行綜合預報，所采用的預報方法和思路可供類似工程借鑒。

1隧道地質災害綜合預報工程實例

1.1工程概況

欽崇路四方山隧道穿越低山地貌，隧道穿越地段最高點高程約為690 m，低點位于隧道出口坡腳一帶，高程約為290 m，相對高差400 m。隧道進口處坡面較為開闊，自然斜坡坡度25°～35°。隧道出口端地勢較平緩，自然斜坡坡度20°～26°，隧道進出口軸線與坡面大致垂直，山體植被覆蓋茂密。

隧址區下伏主要有泥巖、砂巖和灰巖，泥巖與砂巖多呈互層或夾層分布，灰巖巖質較硬，局部有溶隙發育并夾有黑色煤線。

隧道區內地下水主要為賦存于第四系坡殘積層中的孔隙水、基巖裂隙水和灰巖巖溶水，隧址區地形較陡，橫向坡溝發育，大氣降水迅速徑流排泄，下滲量較小。地下水的主要來源為大氣降水補給與區外域流補給，水量不大。地表水主要為地表徑流和低洼積水，地表徑流受降水影響很大。

鑒于隧址區復雜的地質情況，根據長、短距離相結合的預報原則，采用彈性波反射法和地質雷達法對該隧道進行了巖體節理、裂隙、富水段的超前地質預報。以彈性波反射法為主，局部地段用地質雷達法進行重點補測。下文以隧道右洞YK77+630～YK77+780段的預報情況為例進行說明。

1.2彈性波反射法預報

彈性波反射法超前預報是利用人工激發的地震波在隧道巖體傳播過程中，在聲阻抗界面會產生反射波，利用儀器設備采集地震波傳播信息并進行數據處理后，結合已有地質資料，實現對隧道開挖面前方地質條件的推斷和預報。檢測結果為縱波(P波)、兩個方向的橫波(SH波、SV波)的時間剖面、深度偏移剖面、反射層信息、巖石物性參數等，資料解讀時以縱波信息為主對巖層進行劃分，結合橫波信息反映的泊松比、密度、動態楊氏模量等參數對地質現象進行解釋，解釋遵循以下準則：(1)正反射振幅表明硬巖層，負反射振幅表明軟巖層；(2)若S波反射較P波強，則表明巖層飽含水；(3)VP/VS增加或泊松比突然增大，常由于流體的存在而引起；(4)若VP下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

本文彈性波反射法預報采用北京市水電物探研究所的TGP206型隧道地質超前預報系統，主要探測隧道掌子面前方150 m范圍內巖體含水、空洞和破碎情況。

從隧道縱橫波的偏移圖(見圖1～3)和縱橫波反射界面、反射速度的分布曲線(圖4、圖5)，結合地質資料，推斷出的地質結果見表1，可知YK77+630～YK77+780段圍巖節理裂隙較發育，巖質較軟，部分區段含水量較大。施工中應防止拱頂因節理裂隙存在而造成的塌方，加強支護，并注意降雨對隧道施工的影響。

表1　隧道右洞YK77+630～YK77+780段

圖1　縱波(P波)偏移成果圖

圖2　橫波(SH波)偏移成果圖

圖3　橫波(SV波)偏移成果圖

圖4　縱波、橫波反射界面、反射速度分布曲線圖(同側檢測結果。黑色線條為縱波圖像，灰色線條為橫波圖像)

圖5　縱橫波反射界面、反射速度分布曲線圖(對側檢測結果)

1.3地質雷達法預報

地質雷達是利用超高頻脈沖電磁波為震源，以自激自收的形式，采用連續或間斷的方式探測地質介質分布的一種地球物理勘探方法，具有快速、無損、實時顯示等特點。

本文地質雷達法預報采用SIR-3000型探地雷達系統，包括儀器主機和100 MHz加強型天線兩部分。探測時在隧道掌子面布置2條測線，用來探測隧道掌子面前方30 m范圍內巖體的含水、空洞和破碎情況。

隧道右洞YK77+690～YK77+720、YK77+756～YK77+786段地質雷達測試結果見下頁圖6、圖7，預報結果見下頁表2，結果表明：該區段巖體破碎，節理裂隙發育，圍巖以強風化泥灰巖為主，巖質較軟。施工中易出現掉塊、塌方現象，建議加強超前支護。

表2　隧道右洞YK77+690～YK77+720、

圖6　隧道掌子面YK77+690地質雷達探測圖

圖7　隧道掌子面YK77+756地質雷達探測圖

1.4兩種方法預報結果對比

彈性波反射法預報可以探測地層特征、地層界線、地質構造、節理裂隙的情況，橫波反射波還可用來探測地質體含水情況，地質雷達可以探測斷層破碎帶、軟弱夾層、含水地質體的情況。由表3可以看出，兩者對同一區段預報結果基本吻合，而地質雷達法在短距離內預報結果更為細致準確。因此一般先用彈性波反射法作長距離粗略預報，再用地質雷達法對局部重點區段作短距離細致預報。

表3　彈性波反射法和地質雷達法預報結果對比表

2結語

本文利用彈性波反射法和地質雷達法對隧道開挖面前方的地質災害進行預報，主要得出以下結論：

(1)彈性波反射法用于長距離探測，可以探測隧道地層特征、地層界線、地質構造、巖體節理裂隙情況，根據橫波反射特性還可探測地質體含水情況；地質雷達法用于短距離探測，可以探測隧道斷層破碎帶、軟弱夾層、地質體含水情況。

(2)根據長距離與短距離預報相結合的原則，將彈性波反射法和地質雷達法聯合使用，可互為補充和驗證，是探測隧道掌子面前方不良地質體以及巖體裂隙水的有效手段，預報結果更為全面準確，可有效預報涌水、塌方等隧道地質災害。

參考文獻

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[4]李大心.探地雷達方法與應用[M].北京：地質出版社，1994.

[5]劉志剛，劉秀峰.TSP在隧道隧洞超前預報中的應用與發展[J].巖石力學與工程學報，2003，22(8)：1399-1402.

Research on the Application of Comprehensive Tunnel Advance Geology Prediction Technology

XIONG Chun-fa1，2，REN Shao-bo1，2，WANG Shu-ying1，2，JIANG Hong-liang1，2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The tunnel construction in poor geological areas has high risk to gushing，landslides and other geological disasters，causing the major safety risk to the construction.The current geophysical methods of geological disasters have their own advantages and disadvantages respectively，thus，in order to improve the accuracy of forecasts，using various methods to carry out integrated geological prediction becomes necessary.Taking Sifang Mountain Tunnel of Qincong Road as the example，and combining the elastic wave reflection method and geological radar method，this article conducted the effective in-tegrated prediction on broken belts，joints and fissures，water-rich segments and other adverse geolo-gies in front of tunnel excavation working face，and the prediction means and ideas being used can provide the reference for similar projects.

Keywords：Tunnel；Geological disasters；Advanced prediction；Elastic wave reflection method；Ground penetrating radar method；Integrated application

收稿日期：2015-12-15

文章編號：1673-4874(2016)01-0036-05

中圖分類號：U445.4

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.009

作者簡介

熊春發(1982—)，博士，主要從事隧道監測及檢測工作；

任少博(1985—)，碩士，主要從事公路路基路面、隧道巖土方面的研究工作；

王淑英(1964—)，教授級高工，主要從事道路材料檢測方面的研究工作；

姜洪亮(1980—)，工程師，主要從事隧道檢測監測方面的研究工作。