綜合地質超前預報在核桃園隧道施工中的應用★

戴世鑫 譚小豐 鐘 威 田理嘉

(1.湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

隨著國民經濟的大力發展，國家在基礎建設上的投入越來越大。近幾年來，國內交通建設發展迅速，而隧道工程往往是交通建設中無可避免，也是在施工過程中較容易發生突水、涌水、掉塊、塌方等工程事故的工程，因此，在隧道工程開挖前，地質超前預報工作就顯得尤為重要。目前，國內地質超前預報的常用方法有：地質預報法、超前勘探法(包括超前水平鉆孔、平行導洞法、先進導洞法)、物探法(電法、電磁波法、地震波法)等。

在過去大量隧道工程施工過程中，多采用某種單一的地質超前預報方法，來對施工掌子面前方巖土體情況、不良地質體的工程部位及成災可能性作出預測和預報。然而，在開挖過程中發現實際地質情況往往與預報不太相符，這充分說明了單一的方法準確性遠遠不夠，因此，為了加快施工進度，確保施工安全，保證工程質量，采用多種方法同時對施工掌子面前方地質情況進行探測，將所得結論進行相互論證，相互補充，以提高預報的可靠性和準確性。

1 工程概況

新建鐵路蒙西至華中地區鐵路煤運通道三門峽至荊門段核桃園隧道位于河南省南陽市西峽縣西坪鎮境內豫西秦嶺東段，隧址為丘陵地貌，地形起伏大，溝谷狹長，多呈“V”字型，隧道采用單洞雙線隧道形式，起訖里程為DK817+849～DK819+229，全長1 380 m，隧道最大埋深約214 m，縱坡為-10.8%的單面下坡。

隧道區大部分基巖裸露，局部地段有殘坡積土層分布。出露的地層從新至老有第四系(Q4)；下元古界秦嶺群界牌組(Pt1j)云母石英片巖、石英片巖；下元古界雁嶺溝谷組(Pt1jy)大理巖地層。隧道區的不良地質有風化巖、巖溶發育帶、斷裂破碎帶，本隧道由于構造較發育，故構造裂隙水推斷較發育。

2 工作方法及其原理

2.1 地質雷達法

本次隧道地質超前預報采用了中國電波傳播研究所開發的LTD-2100地質雷達，配置100 MHz天線。

地質雷達法以電磁波傳播理論為基礎，以目標體與周圍介質的介電性質差異為前提，通過發射高頻電磁波(中心頻率為數十MHz到千MHz)，以寬帶短脈沖形式在掌子面上由發射天線T送入前方，遇到不同阻抗界面時反射回來，由接收天線R接收，電磁波信號在介質中傳播，遇到介電性質不同的分界面就會產生反射、色散和衰減等現象，發射和接收天線在測線上按一定的間距同步移動，獲得該測線的雷達探測圖像，根據反射信號的時間、相位、頻率、幅度及波形等特征來分析和推斷介質性質與界面位置。

2.2 瞬變電磁法

本隧道工程中利用瞬變電磁法的超前預報工作，是將不接地回線置于隧道掌子面上，向掌子面前方發射脈沖式一次電磁場，在該電磁場的激發下，掌子面前方的導電地質體受感應而產生渦旋電流，即二次電流。由于導電地質體是非線性的，所以脈沖電流從峰值躍變到零，一次磁場立即消失，而二次電流則有一個瞬變過程，在該過程中即會產生二次磁場，二次磁場大致按指數規律遞減，形成瞬變磁場，通過觀測該瞬變磁場，即可發現掌子面前方的異常地質體。

2.3 TST隧道地質超前預報

本次隧道地質超前預報工作中，采用了TST隧道地質超前預報系統(TST即Tunnel Seismic Tomography的英文縮寫，以下簡稱TST系統)。TST是隧道散射地震成像技術的簡稱，其觀測系統采用空間布置，接收與激發系統布置在隧道兩側圍巖中。地震波由小規模爆破或電火花產生，并由地震檢波器接收。TST可有效地判別和濾除側面和上下地層的地震回波，僅保留掌子面前方回波，避免現行超前預報方法中虛報、誤報率高的技術缺陷，并能同時獲得掌子面前方圍巖的準確波速和地質體的位置圖像。

TST系統硬件主要由地震信號采集器、地震信號記錄器、檢波器及連接線纜、震源等幾部分組成。

3 三種方法的綜合應用

核桃園隧道工程在施工過程中分別采用了上述三種方法對掌子面前方的地質情況進行了探測。現以里程DK818+465～DK819+480段為例，先分別對三種方法所測數據進行處理與分析，得到相應的結果，再綜合三種結果，進行統一對比分析，相互印證。

3.1 地質雷達法數據處理與分析

地質雷達法數據處理結果：在掌子面前方0 m～2 m(DK818+465～DK818+467)范圍內反射波信號較雜亂，是由于掌子面開挖引起的雜亂反射。在掌子面前方2 m～8 m(DK818+467～DK818+473)范圍內反射波同相軸不連續，局部振幅較強，電磁波頻率衰減快，推斷該范圍內巖溶裂隙較發育，圍巖較破碎。在掌子面前方8 m～15 m(DK818+473～DK818+480)范圍內反射波信號強烈，能量團分布不均勻，振幅高而寬，推斷該范圍為巖溶較發育，并且富含巖溶水，施工時應做好支護及防排水措施，防止掉塊及突水、突泥。

3.2 瞬變電磁法數據處理與分析

瞬變電磁法數據處理結果：共存在2個低阻異常區和2個高阻異常區，具體分析如下：低阻異常區位于掌子面前方8 m～15 m(DK818+473～DK818+480)和23 m～30 m(DK818+488～DK818+495)范圍內，該區域視電阻率較低，推斷該范圍內為富水溶洞。高阻異常區位于掌子面前方55 m～60 m(DK818+520～DK818+525)和70 m～75 m(DK818+535～DK818+540)范圍內，該區域視電阻率較高，推斷該范圍內裂隙帶較發育，圍巖巖體結構完整性較差。當隧道施工到上述里程時，應采取相應的防護措施，再進行施工，以確保施工安全。

3.3 TST隧道地質超前預報數據處理與分析

TST隧道地質超前預報數據處理結果：在掌子面前方0 m～20 m(DK818+460～DK818+480)段圍巖波速為3 780 m/s，巖石強度低。同時地震波偏移圖像顯示區域紅藍條紋很多，推測該段巖溶裂隙發育強烈，且富含巖溶水，施工時應注意巖體破碎導致的掉塊或塌方，并做好防水措施。 在掌子面前方20 m～50 m(DK818+480～DK818+510)段圍巖波速由3 780 m/s升高到3 980 m/s，巖石強度升高。同時地震波偏移圖像顯示區域紅藍條紋相對較少，推測該段節理裂隙較發育，圍巖完整性較差。在掌子面前方50 m～60 m(DK818+510～DK818+520)段圍巖波速為3 980 m/s，巖石強度相對較高。同時地震波偏移圖像顯示區域紅藍條紋較強，推測該段裂隙較發育，工程性質較差。在掌子面前方60 m～70 m(DK818+520～DK818+530)段圍巖波速為3 850 m/s，巖石強度相對較低。同時地震波偏移圖像顯示區域紅藍條紋很少，推測該段為無水溶洞。在掌子面前方70 m～80 m(DK818+530～DK818+540)段圍巖波速由3 850 m/s升高到4 180 m/s，巖石強度升高。同時地震波偏移圖像顯示區域紅藍條紋較明顯，推測該段溶蝕裂隙較發育，圍巖較破碎。在掌子面前方80 m～120 m(DK818+540～DK818+580)段圍巖波速為4 180 m/s，巖石強度高。同時地震波偏移圖像顯示區域紅藍條紋較少，推測該段節理裂隙較少發育，圍巖完整性較好。

3.4 綜合分析

通過對三種方法的探測結果進行綜合分析，可以發現在該隧道里程DK818+465～DK818+480段，三種方法的探測結果都出現了明顯的異常，推測該段可能存在溶洞或溶蝕裂隙，且為富水帶。經后期施工開挖驗證了這一結果的準確性，見圖1。

4 結語

地質超前預報工作是隧道工程施工過程中的重點工作之一，其預報結果的準確性往往直接影響隧道施工進度和工作人員的生命安全。由于物探結果具有多解性，單一的某種方法對隧道掌子面前方真實地質情況的預測可靠性不高，而采用多種方法來進行預報可相互彌補每種方法的不足之處，并且可以相互驗證彼此的結論，從而提高地質超前預報的準確性。

本隧道充分利用了地質雷達法、瞬變電磁法、TST隧道地質超前預報法三種方法的優點，得到了較為可靠的地質信息，大大降低了因盲目施工引起的隧道突水，突泥，危巖崩塌等工程事故發生的概率，提高了施工效率，保障了施工安全。

由于不同隧道地質情況的不同，所使用的地質超前預報方法也不盡相同，而采用綜合地質超前預報技術方法可提高預報的準確性與結果的可靠性，這是毫無疑問的，因此，對綜合地質超前預報技術的研究是一個必然的趨勢，若能建立一套系統的綜合地質超前預報技術方法，對于地下工程建設將具有非凡意義。