地震波法超前地質預報技術在隧道施工中的運用

肖坤林，劉 嬌，賈小杰

（中國冶金地質總局地球物理勘查院，河北 保定 071000）

目前隧道工程較多且地質條件越來越復雜，有灰巖地區、花崗巖地區、黃土高原、第四季覆蓋等等，隧道施工中會遇到巖溶、空洞、軟土地段、地下暗河、構造破碎帶等不良地質環境，這給隧道施工增加了難度，同時也增加了隧道施工時發生安全事故的機率，所以進行地質超前預報是十分重要的。最近幾年，以TSP為主的工程技術引起了中國工程技術人員的重視和認同，在1996年，我國的鐵路部隧道工程局第一次引進了TSP202儀器，之后為了解決隧道超前地質預報和隧道地質監測這兩個方向的工作需要，北京市水電物探研究所，通過多年的努力研發，終于開發出TGP12多功能隧道超前地質預報與檢測儀和與之相匹配的TGPWin軟件處理系統。目前地震波超前地質預報的主要內容有[2-6]：地層巖性、地質構造、不良地質體、地下水。進行地質超前預報有以下幾個目的：①進一步查清隧道開挖掌子面前方的工程地質與水文地質條件，指導工程施工的順利進行；②降低地質災害發生的機率和危害程度；

本文以湖南某隧道為例，結合區內地質資料和隧道的施工設計圖，對預測段進行分析處理。

1 地震預報的原理及現場工作

1.1 探測原理

隧道地震波超前地質預報是利用地震波在巖體內傳播過程中，遇到聲阻抗界面發生反射，利用儀器設備接收地震波信息，通過相關處理系統進行數據處理，結合已有的地質資料綜合分析，實現對隧道前方地質條件的推斷，達到地質超前預報的目的。

1.2 探測儀器簡介

地震波預報采用TGP206型隧道地質超前預報系統（TGP即Tunnel Geology Prediction 的英文縮寫，以下簡稱TGP系統）。TGP系統是北京市水電物探研究所專門為隧道及地下工程施工超前地質預報研制開發的技術成果，已經經過國內著名隧道專家組評審,鑒定為具有國際先進技術水平。

TGP隧道超前地質預報系統包括儀器主機、配件和處理軟件三部分。

1.3 探測方法

針對隧道掌子面巖體和測線布置進行研究，在巖土體較穩定位置設置接收孔。對炮孔的的里程、隧道掌子面進行詳細記錄；逐炮孔安置帶會觸發線的炸藥卷；可進行數據采集工作，作業過程中對周圍環境要求較高，完成數據采集后，對采集的結果進行檢查確定無誤后方可結束現場測量工作。

1.4 采集參數和耦合劑的選擇

隧道進口洞身圍巖為全—強風化砂巖，多為膠狀，巖體破碎。采樣時間間隔設置為0.1ms；隧道可預報施工的距離有限，且圍巖巖性較軟，炮間距選擇為1m。隧道出口里程段預報時，接收檢波器采用的耦合劑是黃油，現場采集的原始數據質量很不好；隧道進口里程段預報時 ，接收檢波器采用了膨脹土膠團作為耦合劑，現場的原始數據質量有了很大的提高。

2 隧道K3+222～K3+342里程段地質超前預報成果

2.1 工程地質情況

隧道長度546m，最大埋深約為78m。隧道進口洞身圍巖為全—強風化砂巖，巖體破碎，多呈砂土狀及塊狀，多為泥質膠結，軟硬不均，洞身圍巖存在灰巖與砂巖不整合接觸帶，不整合接觸帶附近，巖體破碎，巖溶發育，易富水；地表水弱發育，地下水以基巖裂隙水及巖溶水為主，中等富水。

2.2 地震超前預報成果圖表

2.2.1 地質構造與結構的參數

表1為隧道進口方向K3+222～K3+342里程段的推斷主要地質構造與結構面的參數。

2.2.2 縱橫波偏移成果

圖1～圖3分別為隧道進口方向K3+222～K3+342里程段的縱波偏移圖、橫波SH偏移圖和橫波SV偏移圖。

圖1 縱波偏移圖

圖2 橫波SH偏移圖

表1 推斷地質構造與結構面的參數

圖3 橫波SV偏移圖

2.2.3 地質預報成果

圖4～圖5分別為隧道進口方向K3+222～K3+342里程段的比速度圖、三分量對比圖。

圖4 地質超前預報成果

2.3 地震超前預報分析與推斷[7-9]

結合地質預報成果圖以及P波、SH波、SV波偏移圖推斷地質構造與結構面參數表，可以看出隧道里程由K3+222～K3+342段的120m范圍內：縱波速度在2640m/s左右，橫波速度在1390m/s左右，動彈性模量為11233MPa，動剪切性模量為4293MPa，巖體泊松比為0.308，巖體密度約為2.22t/m3。綜合地質預報圖主要有5條縱波反射界面；5條橫波反射界面。圖中比速度曲線反映出120m范圍內隧道圍巖呈現軟、硬巖相間的狀態。具體解釋如下。

圖5 隧道K3+222～K3+342里程段地質超前預報綜合剖面圖

2.3.1 K3+222～K3+236段：長度14m

隧道圍巖與掌子面和炮孔段巖體基本一致,巖性主要為灰巖。推斷該段節理裂隙發育，巖體破碎，圍巖自穩性較差，應注意預防拱頂坍塌、冒頂、及掉塊，雨季或強降雨時洞內地下水出水狀態為淋雨或涌狀水，應注意排水。開挖時應做好超前支護，遵循短進尺，弱爆破的原則，嚴格按照設計施工。

2.3.2 K3+236～K3+275段：長度39m

根據綜合地質預報成果圖分析，該段圍巖“比速度”有所上升,且存在較強的縱波和橫波反射界面，推斷K3+255～K3+267里程段為節理密集帶，節理裂隙較發育且富含水，應注意預防坍塌冒頂，涌水涌泥。節理裂隙發育帶，巖體完整性較差，節理裂隙發育，應注意預防拱頂塌落和掉塊，以及裂隙水引起的圍巖滑塌；施工注意正臺階分部掘進、開挖時應做好超前支護，嚴格按照設計施工。

2.3.3 K3+275～K3+342段：長度67m

根據綜合地質預報成果圖分析，該段圍巖“比速度”有所下降，推斷該段隧道圍巖與前一段比較，圍巖完整性相對前段有所降低，且該段的縱波和橫波速度都很低，推斷K3+295～K3+340里程段為巖溶發育區，可能存在溶洞，且富含巖溶水，應注意預防坍塌冒頂，涌水、涌泥。開挖時應做好超前支護，嚴格按照設計施工。

2.4 地震超前預報結果與實際圍巖情況對比

（1）隧道設計里程段K3+255～K3+364的縱斷面圖如下所示。

圖6 隧道的縱斷面圖

（2）隧道設計里程段K3+255～K3+364的隧道圍巖分級及其基本特征如下：圍巖分級為三級；圍巖基本特征：隧道洞身基巖為二疊系灰巖弱風化，中厚層狀，裂隙發育巖體較完整，巖溶中等發育，地下水為基巖裂隙水及巖溶水，中等富水，隧道洞身在巖體發育及巖體破碎地段開挖可能易局部坍塌，發生突水突泥現象。

（3）隧道預報里程段K3+255～K3+267推斷為節理密集帶，節理裂隙較發育且富含水。實際施工圍巖為灰巖，裂隙節理發育，開挖后圍巖比較破碎，與預報結果基本吻合。

（4）隧道預報里程段K3+295～K3+340推斷為巖溶發育區，可能存在溶洞，且富含巖溶水。實際施工圍巖變化不大，溶蝕發育，富含巖溶水，與預報結果基本一致。

3 結語

（1）隧道地質超前預報施工過程中，根據不同的圍巖巖性和施工環境，合理地選擇炮間距和檢波器耦合劑，能夠有效地提高原始數據質量和超前地質預報的精度。

（2）通過超前地質預報，能夠及時發現異常情況，保證施工安全，節約成本。隧道地質超前預報是復雜的，地質工作是隧道地質超前預報的基礎，我們必須充分了解隧道工程所處的地質條件，明確隧道施工過程中可能遇到的地質問題，才能制定正確合理的預報方案，有針對性地進行超前地質預報工作。