綜合超前地質預報技術在采空區隧道中的應用分析

劉 博

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

隧道超前預報對于安全科學施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節約投資等具有重大的社會效益和經濟效益。煤窯采空區是隧道超前地質預報工作的重點和難點。隧道施工地質超前預報方法主要有以下幾種：傳統地質分析法、超前導坑預測法、超前水平鉆孔法以及特殊災害地質所采用的相關預測方法。這些方法工期長、費用高，應用受到較大限制。近年來，隨著技術的不斷發展，在一些長大深埋隧道的超前地質預報中，物探方法得以推廣應用，已成為不可或缺的核心手段。目前利用物探進行超前地質預報的方法較多，有地質雷達法、瑞雷面波法、聲波法、TSP法等。本文以TSP法和地質雷達法為主要手段，結合二者的優勢，介紹了一種綜合超前地質預報技術，通過實例論證了該方法的有效性。

1 隧道工程地質概況與物探條件

工作隧道為單洞雙線隧道，全長3 145 m，隧道為單面坡，最大埋深為233 m，為一低瓦斯-巖溶-采空區長隧道。

該段隧道穿越地層主要為含煤地層須家河組，其二段、四段巖性為長石砂巖、石英砂巖，灰白、棕黃色，中厚～厚層狀構造，中粒結構，節理較發育，局部可能產生掉塊。一段、二段巖性為泥巖夾砂巖、煤層(線)，深灰～灰黑色，薄～中厚層狀構造，巖體質軟，開挖后易風化，遇水軟化，自穩能力差。其中，隧道于DK841+985～DK842+033段下穿某煤窯采空區。預報里程段的圍巖巖性見表1。

表1 預報里程段圍巖巖性

該段隧道在開挖過程中，砂巖段圍巖較破碎，節理裂隙較發育，局部炭質頁巖、砂質頁巖及頁巖夾煤段圍巖破碎，節理裂隙發育強烈，并伴有煤窯采空區的出現。且隧道圍巖巖層走向與隧道軸線相交角度較大，故該段圍巖具備采用TSP法和地質雷達法進行超前地質預報的物探地質條件。

2 野外工作和數據處理

2.1 觀測系統布置

TSP法：在隧道DK841+889的左邊墻和右邊墻位置分別布置一個地震波信息接收孔，孔徑均為50 mm，孔深均約2.0 m,孔高均約1.5 m；在DK841+906～+933段的左邊墻，按約1.2 m的間距布置24個激發孔分別激發地震波，孔徑約45 mm，孔深約1.5 m，每個激發孔向下傾斜約10°；每個激發孔裝填的藥量約為67 g；所有激發孔與接收孔基本位于同一水平面上。

本次TSP法預報時掌子面里程為：DK841+938，預報里程范圍為DK841+938～DK842+048段(即掌子面前方110 m)。

地質雷達法：分別在隧道DK841+964和DK841+985的開挖面上水平布置兩條測線。采用100 MHz天線對掌子面前方的地質情況進行探測。兩次預報里程范圍分別為DK841+964～DK841+994段和DK841+985～DK842+015段。

2.2 數據處理

TSP法數據處理處理流程為：數據設置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q-估計→反射波提取→P-S波分離→速度分析→深度偏移→反射層提取等。

對TSP203 Plus儀器采集的數據利用TSPwin軟件進行處理，可以獲得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的時間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位、物理力學參數、各反射層能量大小等中間成果資料，同時還可得到反射層的二維和三維空間分布。根據上述資料預報隧道掌子面前方的地質情況，如溶洞、采空區、軟弱夾層、節理裂隙及富水體等不良地質體。

地質雷達法：采用“RADAN FOR WINDOWS NT”軟件包對地質雷達原始數據進行處理。其處理流程為：數據傳輸→文件編輯→水平均衡→數字濾波→零點歸位→偏移處理→能量均衡→時深轉換→文件注釋→輸出雷達深度剖面圖。將雷達深度剖面圖作為資料解釋的基本圖件，根據雷達深度剖面圖上的反射波組、強能量團塊分布和曲線等特征對資料進行判釋。

3 資料分析與解譯

TSP法原始資料經過一系列步驟處理后，得到TSP法反射層位及物理力學參數成果圖和TSP法偏移成像圖，分別如圖1和圖2所示。

圖1 TSP法反射層位及物理力學參數成果圖

針對隧道DK841+946～DK842+000段，由圖1可以看出：反射界面較多且動態楊氏模量和泊松比變化頻繁，說明該段圍巖破碎；動態楊氏模量值在17～22之間，說明該段圍巖巖質較軟；尤其是DK841+962～DK842+000段，Vp/Vs和泊松比變大，也說明DK841+962～DK842+000段圍巖變破碎或有水。由圖2可以看出：S波反射能量較弱，P波反射能量較強，說明該段圍巖裂隙發育。

圖2 TSP法偏移成像圖

圖3給出了掌子面地質雷達探測圖像示意。由圖3(a)可知，DK841+970～DK841+994段圍巖破碎，節理裂隙發育，存在不同巖性的互層和軟弱夾層，推測該段圍巖存在煤層和煤窯采空區。由圖3(b)可知，DK841+990～DK842+005段圍巖破碎，節理裂隙發育，存在不同巖性的互層和軟弱夾層，推測該段圍巖存在煤層和煤窯采空區。

圖3 掌子面地質雷達探測圖像示意

結合TSP資料、地質雷達資料、超前鉆探資料及設計資料綜合分析得出：DK841+970～DK842+005段圍巖破碎，節理裂隙發育，存在不同巖性的互層和軟弱夾層，該段圍巖存在煤層和煤窯采空區。安全起見，提請施工時DK841+970～DK842+005段務必采用超前鉆孔(必要時采用取芯超前鉆孔)和加深炮孔對掌子面前方采空區、煤層厚度、圍巖破碎情況、瓦斯含量及含水量進行核實，以防范其安全風險，并注意及時加強支護，防止坍塌，確保隧道工程及施工安全。

4 開挖驗證

根據隧道后續開挖結果顯示，如圖4所示：(1)DK841+990處發現一較大煤窯采空區，破碎炭質頁巖夾煤及少量泥質充填，潮濕，充填物破碎，自穩能力極差，易發生坍塌；(2)DK841+994處發現一煤窯采空區，破碎炭質頁巖夾煤充填，潮濕，充填物破碎，自穩能力差，易發生坍塌；(3)DK841+997處發現有頁巖夾煤軟弱夾層，有滴水，圍巖破碎，自穩能力差，易發生坍塌。

圖4 隧道開挖過程中煤窯采空區和破碎頁巖夾煤圖片

5 結論

(1)TSP資料和地質雷達資料對掌子面前方的不良地質體都有較明顯的物探異常，說明TSP 法和地質雷達法對預測煤窯采空區、煤層、軟弱夾層及節理裂隙密集帶有較好的應用效果。

(2)根據隧道后續開挖結果顯示，以超前鉆探法、TSP法和地質雷達法為主的綜合超前地質預報方法的預報效果顯著，能夠較準確地預測掌子面前方采空區、軟弱夾層、節理裂隙及富水體等不良地質體。建議在進行隧道的超前地質預報工作時，采用綜合預報，從而進一步提高預報的準確性。