綜合超前預報技術在復雜地質隧道中的應用

王 凱 牟元存 李 星

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

在地下工程的前期勘探中，由于資金投入不足、技術方法的局限或自然條件限制等因素，有時會造成勘探精度不足，無法提供足夠詳盡的地質資料指導施工[1]。此時，超前地質預報就可以發揮其獨特的優勢，在施工過程中進一步查清開挖工作面前方的工程地質和水文地質條件，詳細探查隱伏不良地質，降低地質災害的發生幾率和危害程度。超前地質預報對降低施工成本、保障施工安全有著十分重要的作用[2]。

常用的超前地質預報方法包括地質調查法、物探法(如地震波反射法、地質雷達法、瞬變電磁法等)、鉆探法、超前導坑法等[3]，但考慮到預報技術的發展水平和各方法的局限性，采用單一方法難以保證足夠的預報精度[4-5]。因此，對于地質條件復雜的隧道，采用物探、鉆探等多種手段相結合的綜合超前地質預報技術，可有效提高預報精度，對優化隧道施工組織，指導工程設計變更，調整和優化隧道設計參數及防護措施，規避地質風險，保障施工安全，有著極其重要的意義[6]。

本文以某鐵路隧道為例，展示綜合超前地質預報技術在復雜地質隧道施工中的實際應用效果，詳細闡述了綜合超前地質預報技術在探明致災軟弱地層與基巖分界面和不良地質問題處理過程中的作用。

1 工程地質及設計概況

某鐵路隧道位于青念青唐古拉山與喜馬拉雅山之間的藏南谷地高山區，山高谷深，氣候極端惡劣。測區范圍內覆蓋層主要為第四系全新統坡殘積層的碎石土、沖積層的細砂、滑坡堆積層的碎石土及上更新統冰水堆積層的卵石土、漂石土。下覆基巖為新元古-中元古界念青唐古拉巖群八拉巖組片麻巖、糜棱巖及碳酸鹽巖塊。測區基巖大部分覆蓋，局部裸露，區內發育五條斷裂：達希-大莫谷熱斷裂、力底斷裂及三條性質不明斷層，節理裂隙發育。其中，D2K 387+305～D2K 387+795段隧道穿越第四系上更新統冰水堆積體，堆積物厚度大于200 m，物質成份為卵石土和漂石土，該段地下水豐富，工程地質條件較差。

根據前期勘探成果，D2K 387+305～D2K 387+795段設計采用地質調查法、地震波反射法、地質雷達法及超前鉆探法進行超前地質預報，探明冰水堆積體的具體位置；施工時采用超前帷幕注漿堵水，襯砌類型采用Ⅴd型復合襯砌，拱部設φ89超前管棚，環向間距0.4 m，每環27根，縱向間距6.4 m，單根長10 m，采用臺階法+臨時橫撐施工。

2 超前地質預報實施

設計資料中冰水堆積體段落長度達490 m，其中存在最大的潛在安全風險施工段是由基巖進入富水堆積體的段落，若未查清掌子面前方地質條件而盲目施工，極易造成突泥涌水、坍塌等工程地質問題，帶來不可估量的損失。預報報告表明D2K 387+795～D2K 387+786段為片麻巖，施工風險相對較低，因此，本文重點介紹在D2K 387+786～D2K 387+706段內，采用綜合預報技術探明基巖與冰水堆積體分界面的情況。

施工過程中，在地質調查的基礎上，采用物探、鉆探相結合的綜合超前地質預報方法，依據“宏觀指導微觀預報、長距離預報指導中短距離預報、微觀預報驗證宏觀預報、中短距離預報驗證長距離預報”的工作思路開展超前地質預報工作，先后開展了TSP法、地質雷達法和超前鉆探法等分項預報工作，并對各種方法的預報成果進行綜合分析，提高預報工作的準確性和對施工現場的指導作用。

2.1 地震波反射發(TSP)

(1)觀測系統布置及數據采集

在該隧道D2K 387+830里程處的左邊墻和右邊墻分別布置1個地震波信息接收孔，孔徑為50 mm，孔深分別為1.78 m和1.70 m，孔高分別為1.46 m和1.57 m，每個接收孔各埋設1支三分量檢波器。在D2K 387+817～D2K 387+794段的左邊墻布置22個炮孔激發地震波，炮孔平均間距約為1.0 m，孔徑約40 mm，孔深約1.3 m，每個激發孔向下傾斜約10°；第1～22號激發孔裝填的藥量60 g。按順序逐個引爆藥包人工激發地震波，地震信號由檢波器接收并傳至儀器記錄單元，形成地震記錄。

(2)數據處理及解譯

對TSP203 Plus儀器采集的數據利用TSPwin軟件進行處理,通過頻率域濾波、初至拾取、反射波提取、速度分析和反射界面提取等步驟[7]，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成果資料[8]。

根據巖石力學參數的變化特征、反射界面分布情況以及現場勘察情況分析，解譯得到前方120 m[9]范圍內的地質情況。

根據TSP法二維成果圖，D2K 387+786～D2K 387+755段彈性參數無明顯變化，表明該段地質情況與掌子面情況基本一致，圍巖整體破碎，局部極破碎，節理、裂隙很發育，強度低，中等富水，局部存在軟弱夾層；D2K 387+755～D2K 387+735段波速、泊松比、楊氏模量等參數存在波動，反射界面較為密集，表明該段不均勻性增強，推測該段受冰水堆積層的影響，為基巖向冰水堆積層卵石土過渡段，圍巖極破碎，局部為卵石土，中等～強富水；D2K 387+735～D2K 387+666段波速、楊氏模量等參數曲線下降，表明該段圍巖強度降低，結合已有地質資料，推測該段為卵石土，土質稍密～密實，中等～強富水。

2.2 地質雷達法

地質雷達法是一種電磁波反射法，該方法通過發射天線向地下發射電磁波，并通過接收天線接收來自不同介質界面和目標地質體的反射電磁波，反射波的幅度、形狀、頻率等特征隨地下介質的不同而變化，通過分析反射電磁波的特征即可判識地下地質體的分布情況與物性特征等[10]。地質雷達法探測以地下介質的介電常數差異為基礎。

開展地質雷達法預報工作時，在隧道開挖面上水平布置測線，采用100 MHz天線對掌子面前方的地質情況進行探測。隨后對原始數據進行文件編輯、水平均衡、零點歸位、數字濾波、時深轉換等處理步驟后，輸出雷達深度剖面圖，作為資料解釋的基本圖件。

在開展TSP法預報的同時，在D2K 387+786～D2K 387+706段連續開展了3次地質雷達法預報，用來驗證TSP預報成果的異常，進一步查明冰水堆積體的準確位置，得到的雷達探測圖如圖1所示。

圖1 雷達探測圖

由圖1可知：

(1)D2K 387+786～D2K 387+761段電磁波反射信號強，同相軸連續性差，推測該段為片麻巖，圍巖整體破碎，節理、裂隙很發育，中等富水，穩定性差。

(2)D2K 387+761～D2K 387+731段電磁波反射信號整體較強，同相軸連續性差，波形較為雜亂，其中D2K 387+744～D2K 387+740段及D2K 387+735～D2K 387+733段反射波能量明顯增強，表明該段圍巖整體破碎，局部極破碎，存在軟弱夾層(如D2K 387+744～D2K 387+740段及D2K 387+735～D2K 387+733段)，節理裂隙很發育，中等富水，穩定性差～極差。

(3)D2K 387+731～D2K 387+706段電磁波反射信號整體較強，同相軸連續性差，波形較為雜亂，特別是D2K 387+721～D2K 387+706段，反射信號能量明顯增強。結合地質資料及現場揭示情況，推測D2K 387+731～D2K 387+721段圍巖整體破碎，局部極破碎，節理裂隙很發育，D2K 387+721～D2K 387+706段為冰水堆積層卵(碎)石土，中等富水，穩定性差～極差。

2.3 超前鉆探法

根據TSP法、地質雷達法等前期預報成果，為驗證物探法劃分的異常段落，進一步詳細探明冰水堆積體的詳細位置，先于掌子面D2K 387+755處布設5個超前鉆孔進行探測，后施工至D2K 387+748.6時，再次在掌子面布設了5個超前鉆孔對掌子面前方地質情況作了進一步探測。鉆孔參數如表1和表2所示，鉆孔布如圖2所示。

表1 D2K 387+755段鉆孔參數表

表2 D2K 387+748.6段鉆孔參數表

圖2 鉆孔布置圖(m)

鉆探結果表明，D2K 387+755～D2K 387+731段圍巖主體巖性為片麻巖，弱風化夾強風化，局部夾全風化軟夾層，節理裂隙很發育，巖體極破碎，裂隙水發育，掌子面前方圍巖存在較多軟巖層段落，極易掉塊、坍塌，總體圍巖自穩能力差～極差；D2K 387+731～D2K 387+724段巖性為片麻巖，強風化，局部夾全風化夾層，節理裂隙很發育，巖體極破碎，裂隙水發育，存在較多軟巖層，極易掉塊、坍塌，自穩能力差～極差；D2K 387+724～D2K 387+708段完全進入冰磧層中，主要為卵石土夾漂石土，地下水很發育，自穩能力極差。

2.4 綜合地質分析法

各單一方法預報成果能夠相互印證，結論基本吻合。

為更準確判斷冰水堆積體的位置與性質，對物探法與鉆探法超前地質預報成果進行綜合分析與判斷，并結合其他相關地質勘探資料，得出了綜合地質分析結論，主要包括：

(1)D2K 387+786～D2K 387+731段內主要為片麻巖，圍巖整體破碎，局部極破碎，強度低，節理裂隙很發育，中等富水，穩定性差～極差，圍巖級別為Ⅴ級。

(2)D2K 387+731～D2K 387+724段為強風化片麻巖，強風化夾少部分全風化狀，受地質構造影響極嚴重，節理很發育，整體呈碎石狀壓碎結構，地下水發育，存在較多軟弱夾層，有突泥涌水的風險，圍巖整體穩定性差～很差，圍巖級別為Ⅴ級。

(3)D2K 387+724～D2K 387+706段主要為冰水堆積層的卵石土夾漂石及細砂，密實，飽和狀。地下水很發育，有突泥涌水的風險，整體圍巖穩定性很差，圍巖級別為Ⅴ級。

3 開挖驗證情況及處理方案

3.1 開挖揭示情況

(1)開挖揭示D2K 387+786～D2K 387+733段巖性為片麻巖，灰褐色～灰黃色，弱風化夾強風化狀，受地質構造影響極嚴重，節理很發育，節理面銹染現象嚴重，圍巖整體破碎，呈碎石狀壓碎結構，基巖裂隙水呈“股狀”發育特征，無水壓。巖體風化強烈加之地下水作用，開挖后拱部及兩側拱腰部位巖體易產生掉塊、坍塌等不良地質現象，整體圍巖穩定性差。

(2)開挖至D2K 387+733時，掌子面左側拱腳至拱頂巖性為冰水堆積的碎石土層，掌子面右側為強風化狀片麻巖，拱部及掌子面左側拱腰股狀出水。

(3)開挖至D2K 387+723.4時，掌子面巖性為第四系上更新統冰水堆積層之卵(碎)石土夾漂(塊)石土及細砂，密實狀，飽和狀。其中卵(碎)石約占80%，粒徑石土約占5%，粒徑200～300 mm，其余為細砂、粉土填充。地下水呈“股狀”發育特征，圍巖穩定性極差。

綜合以上分析結果，開挖揭示圍巖情況與綜合預報結論吻合。

3.2 施工方案調整

采用綜合超前地質預報技術，基本查明了本段的地質情況，施工現場以預報結論為參考依據，對施工方案進行了優化調整，主要包括：

(1)D2K 387+786～D2K 387+741段采用Vc型復合襯砌，采用全環I18型鋼架，間距0.8 m/榀，拱部設φ42超前小導管，環向間距0.4 m，每環27根，縱向間距2.4 m，單根長3.5 m，采用臺階法施工。為保證施工安全，D2K 387+748.6～D2K 387+736.5段留存部分基巖作為止漿盤，D2K 387+741開始施作帷幕注漿。

(2)D2K 387+741處拱部設一環φ89管棚超前支護，環向間距0.4 m，每環27根，單根長25 m；D2K 387+741～D2K 387+721段開挖工法、初支及二襯維持原設計。

(3)D2K 387+723.4～D2K 387+721.4段設置 2 m 厚止漿墻，D2K 387+721.4～D2K 387+706段采用全斷面超前帷幕注漿加固圍巖，D2K 387+723.4～D2K 387+706段開挖工法、初支及二襯維持原設計。

通過以上措施的調整，有效防止了坍塌、突泥涌水等地質災害及工程地質問題的發生，為保障人員、設備安全，節約工程費用起到了重要作用。

4 結論

(1)超前地質預報是規避施工風險的重要手段，單一的預報方法能初步探測不良地質體的位置，劃分其范圍，為實施超前鉆探法提供靶區，為綜合預報提供基礎資料。

(2)采用物探、鉆探等多種手段的綜合超前地質預報方法，不僅能夠約束物探的多解性，還能降低鉆探“一孔之見”的局限性，利用各單一方法的探測結果，相互驗證，取長補短，提高預報精度。

(3)綜合超前地質預報有效探明了冰水堆積層等軟弱富水不良地質體的位置，為變更設計和施工方案的調整提供依據，指導現場施工，降低施工盲目性，保障施工安全。