超前地質預報在某隧洞工程施工中的應用實踐

李標 張允亭 楊風學 梁海洋

1大慶油田設計院有限公司

2大慶油田質量安全環保監督評價中心運行協調部

超前地質預報在隧洞施工中非常重要，它可以進一步查明和復核隧洞掌子面前方的工程地質和水文地質條件，降低地質災害事故發生的概率和危害程度，為優化設計施工方案提供可靠的地質資料，預防隧洞施工過程中塌方、突水、突泥等可能形成的災害事故，指導工程施工順利進行。因此，在施工階段進行超前地質預報十分必要，超前地質預報是隧洞工程施工安全管理的重要環節，是現場施工安全的重要保障[1-4]。

1 工作方法及原理

超前地質預報是一個系統工作，可用的方法很多，也都有各自的效果。但是，對具體工程來說，根據工程性質、工區基本地質條件和地質環境的不同，所采用的方法也有所差異。因此，在選擇方法時應根據工程實際情況合理采用[5-6]。某遂洞工程主要采用的超前地質預報方法為地質編錄法和物探法。

（1）地質編錄法。該法是隧洞施工地質勘察最基本的工作方法，也是超前地質預報地質分析獲取第一手資料的重要手段，它既能反應開挖段的地質特征，又能預示前方一定范圍內未開挖段的潛在地質問題。任何不良地質災害的發生和發展，總會有一些特殊的前兆特征。通過地質編錄掌握了這些變化規律和地質特征，就能從地質學角度分析、指導物探資料的解釋成果[7]。

（2）物探法。該法是超前地質預報中不可或缺的重要手段，具有快捷、直觀、探測距離大、對施工干擾小的特點。但是物探法受限于場地和地質條件，有局限性。因此，物探法的關鍵就是利用地質學知識和工程經驗，結合工區地質背景，通過物探數據對圍巖中的物理現象進行定性或定量的分析。

本工程采用的TGS360Pro（以下簡稱TGS 物探法）是物探法中的一種，是一種極小偏移距地震反射法。將8個高精度三分量地震檢波器按照一定規則布置于隧洞掌子面上，利用錘擊激發地震波，地震波以球面波的形式在周圍的巖體中傳播。當地震波遇到存在波阻抗差異的界面時（斷層破碎帶、溶洞、地下水等不良地質構造界面），一部分地震波信號會產生反射，利用提前布置好的檢波器接收三分量的地震波信號，通過反演、計算、分析，獲取掌子面前方一定范圍內巖體的應力、波速、動泊松比、楊氏模量等巖石物理參數分布情況，從而推斷不良地質構造的分布特征[8-10]。其探測原理如圖1 所示。

2 工作成果及分析

2.1 地質編錄

預報掌子面樁號為0+004 m，隧洞埋深約8.5 m。掌子面巖性為二長花崗巖以及閃長玢巖巖脈，母巖及巖脈錘擊聲啞～稍清脆，以強風化狀為主，但巖脈強度稍弱于母巖。巖脈侵入接觸面不清晰，地質分析推測為沿陡傾角結構面侵入的巖墻狀巖脈。巖體整體以塊裂狀為主，掌子面中部分布有碎裂狀巖體，夾泥滲水。J4為掌子面的控制性結構面，傾向洞外，外側仰坡亦見此組結構面，預報過程中可見不穩定性塊體沿J4光面滑落現象。掌子面節理發育情況見圖2。掌子面地質編錄素描見圖3。掌子面描述見表1。

圖2 掌子面節理發育情況Fig.2 Development situation of joint in the working face

圖3 掌子面地質編錄素描示意圖Fig.3 Sketch diagram of geological logging in the working face

通過對掌子面節理發育總體情況的統計，結合坡面及臨近溝谷地層巖性的出露情況，綜合分析：

（1）J4為控制性結構面，不僅控制著外部仰坡的穩定性，也控制著洞內頂拱的穩定性，預報過程中可見不穩定塊體沿J4光面滑落的現象。后續施工過程中仍存在掉塊的可能，開挖后應及時清除不穩定塊體，并按設計要求做好支護措施。

（2）閃長玢巖巖脈推測為沿陡傾角結構面侵入的巖墻狀巖脈，巖脈走向與洞軸線大角度相交；另一方面頂拱出露的閃長玢巖節理多密集發育，亦與洞軸線大角度相交。推測該巖脈發育寬度不大，對洞室整體穩定性影響一般，開挖通過后加強監測即可。

（3）就目前揭露情況來看，隧洞圍巖具有巖塊強度高、巖體結構面發育多的特性，且目前上覆強風化巖體厚度小于5 m，后期若采用鉆爆法開挖應少藥量、短進尺，并應著重注意上部邊坡的變形情況。

2.2 渣樣分析

依據設計方案，樁號0+000 m-0+030 m已進行管棚施工，在管棚孔鉆進過程中采取了渣樣（圖4）。

圖4 管棚孔典型渣樣Fig.4 Typical soil sample of pipe shed hole

管棚孔渣樣以礫砂狀、碎屑狀為主，局部夾少量泥質，干燥—稍濕狀。依據渣樣性狀判斷，樁號0+000 m—0+030 m 圍巖類別為Ⅳ類～Ⅴ類。考慮上覆巖體厚度較小，為保證安全，建議按Ⅴ類設計方案進行支護。

2.3 TGS物探法成果

圖5 為應力梯度的水平切片圖，縱坐標為里程樁號，橫坐標為預報段的左右兩側覆蓋范圍，紅色虛線代表隧洞左右邊墻，紅色實線為推測的異常區域。設定第一層開挖線為0 m 的位置，取3 m、-3 m、-6 m三個不同深度的切片。

圖5 應力梯度水平切片Fig.5 Stress gradient horizontal slice

圖6 為含水概率的水平切片圖，縱坐標為里程樁號，橫坐標為預報段的左右兩側覆蓋范圍，紅色虛線代表隧洞左右邊墻，紅色實線為推測的異常區域。設定第一層開挖線為0 m的位置，取3 m、-3 m 兩個不同深度的切片。

圖6 含水概率水平切片Fig.6 Water cut probability horizontal slice

圖7、圖8 分別為TGS 物探法獲取的地震波縱波波速和橫波波速的水平切片圖，縱坐標為里程樁號，橫坐標為預報段的左右兩側覆蓋范圍，紅色虛線代表隧洞左右邊墻，紅色實線為推測的異常區域。設定第一層開挖線為0 m的位置，取-3 m深度的切片。

圖7 地震波縱波波速切片Fig.7 Slice of longitudinal wave velocity of seismic wave

圖8 地震波橫波波速切片Fig.8 Slice of shear wave velocity of seismic wave

圖9為圍巖危險等級水平切片圖，縱坐標為里程樁號，橫坐標為預報段的左右兩側覆蓋范圍，紅色虛線代表隧洞左右邊墻，紅色實線為推測的異常區域。設定第一層開挖線為0 m的位置，取-3 m深度的切片。圖10、圖11 分別為應力梯度三維分布圖和含水概率三維分布圖。

圖9 圍巖危險等級水平切片Fig.9 Hazard grade of surrounding rock horizontal slice

圖10 應力梯度三維分布圖Fig.10 Three dimensional distribution of stress gradient

圖11 含水概率三維分布圖Fig.11 Three dimensional distribution of water cut probability

3 解譯成果

超前地質預報解譯成果：①樁號0+004 m—0+014 m，地震縱波波速為1 600～1 900 m/s，以強風化為主，應力梯度整體變化較大。表明巖體破碎，含水概率較低，以潮濕狀或點滴狀出水為主。②樁號0+014 m—0+049 m，地震縱波波速為1 400～1 800 m/s，以強風化為主。整段應力梯度變化大，縱波波速偏低，樁號0+020 m—0+030 m 及樁號0+035 m—0+040 m 甚至出現“紅色”高梯度帶，說明巖體破碎，圍巖條件差。該段含水概率整體較高，預計圍巖將以線狀或淋雨狀滴水為主，但無突水、涌水風險。③樁號0+049 m—0+069 m，地震縱波波速為1 700～2 000 m/s，應力梯度變化稍大，表明該段圍巖整體條件偏差。其中樁號0+054 m—0+059 m應力梯度變化較大，且含水概率稍大，但數值不高，推測該段圍巖將以點滴狀或線狀滴水為主，其余段則以潮濕狀或滴水狀出水為主，無突水、涌水風險。④樁號0+069 m—0+124 m，地震縱波波速為1 200～1 600 m/s，應力梯度變化稍大，表明該段圍巖整體條件偏差。從含水概率圖上看，含水概率整段偏低，推測圍巖將以潮濕狀或點滴狀出水為主。

4 結論

本次某遂洞工程超前地質預報針對樁號0+004 m-0+124 m進行了詳細的地質調查分析及地質編錄工作，采用TGS物探法對掌子面前方進行了物探測試及數據分析，綜合預測得出如下結論：

（1）樁號0+004 m—0+049 m 以強風化為主，圍巖類別Ⅵ～Ⅴ類。

（2）樁號0+049 m—0+124 m 整體縱波波速偏低、應力梯度變化稍大，表明巖體破碎，圍巖條件差，開挖時應注意圍巖的變化情況，及時通知相關專業人員進行圍巖條件記錄和圍巖級別確認。

（3）圍巖均以點滴狀出水為主，局部可能出現沿張性裂隙的線狀出水，無突水、涌水風險。

通過開挖段的地質素描驗證，以上預測結論與實際地質情況基本相符，在兩處多組不利節理交叉發育的地方提前告知施工單位采取了多循環、少進尺的施工開挖方法，避免了極易發生順坡滑塌的風險。并且有兩段股狀流水位置與物探位置基本一致，證明了本次超前預報結論的準確性，能夠有效指導施工作業。