綜合超前地質預報在涌水隧道中的應用研究

張毅清

(中國鐵路北京局集團公司石家莊工程項目管理部 河北石家莊 050000)

1 引言

隨著我國經濟快速發展，在公路、鐵路和水利等基礎設施施工過程中越來越多的埋深大、長度長的隧道被提上日程，并隨著工程設計與施工水平的提高，在原本一些地質條件較為復雜的地段修建隧道成為可能，而此類隧道往往存在洞內塌方、涌水、涌泥、有毒有害氣體等風險。為探明施工隧道前方可能存在的圍巖變化情況、斷層破碎帶、裂隙水發育程度等地質情況，以便于更好保證施工過程安全，保證工程質量和施工階段進度，開展隧道超前地質預報工作顯得尤為重要。

目前隧道超前地質預報常用方法包括地球物理探測法、地質調查法、超前鉆探法、超前導坑預報法。然而大量工程實踐表明，單一或兩種超前地質預報方法往往不能夠準確有效判斷前方圍巖地質情況，因此需要結合多種超前地質預報手段綜合分析，以便提高超前地質預報的準確性，并根據不同的地質情況提前做好相應措施[1-3]。本文根據和順至邢臺段鐵路天河山隧道勘察設計資料，針對隧道施工的高風險段落及斷層破碎帶發育地帶，以TSP(Tunnel Seismic Prediction)探測數據為主導，探測前方斷層破碎帶發育情況，再使用地質雷達探測斷層破碎帶含水、含泥情況，最終采用孔內電視進一步驗證，根據多種方法的探測結果明確異常位置、形態和性質[4-6]。

2 工程概況

新建和順至邢臺鐵路西接陽涉鐵路和順站，東接京廣鐵路邢臺站，是我國“公轉鐵”戰略的關鍵項目之一。該線建成后，和順地區煤炭可運往邯黃鐵路沿線并供應渤海新區，對于滿足晉東地區煤炭外運需求具有重要意義。和邢鐵路以貨運為主兼顧客運，不僅可以大幅降低能源運輸成本，也將結束左權、和順等太行山革命老區不通客運火車的歷史，對促進老區經濟發展和民生改善將發揮重要作用。

天河山隧道為全線重點控制性工程，也是全線第一長隧，隧道全長11 695 m，呈東西走向，穿越太行山脈及天河山地區。天河山隧道所穿越太行山山體地層自上而下主要為粗角礫土、碎石土、粉質黏土、頁巖、石灰巖和砂巖。隧道最大埋深615 m，洞身共穿越21條斷層破碎帶。

3 綜合超前地質預報

天河山隧道存在斷層、褶皺發育的高風險地段，施工過程易遇到圍巖失穩、突水突泥等地質災害。因此，采用彈性波反射法(TSP)、地質雷達和孔內電視相結合的綜合超前預報技術，可進一步提高隧道超前地質預報的準確度。

根據勘察設計資料，隧道樁號DK36＋120～DK36＋170范圍為性質不明斷層fths-2發育段落。為探明掌子面前方較長距離范圍內受到該斷層發育影響而可能存在的地質異常情況，并提前做好相應的施工預案，盡量避免突發狀況對隧道施工影響，決定先采取地震波反射法(TSP)進行長距離探測，依據TSP成果中速度、泊松比、反射界面等變化，推斷斷層破碎帶位置，再采用地質雷達法，根據雷達成果波形變化判斷斷層內含水、含泥情況，最終采用孔內電視進一步驗證，根據多種方法綜合判斷地層異常位置、形態和性質[7-8]。

3.1 TSP預報

TSP法屬于地震反射波法中的一種，以負視速度原理為基礎，預報長度較長，準確度較高，目前廣泛應用于隧道超前預報中[9-11]。在隧道左邊墻或右邊墻布設24個炮點，用適量炸藥激發地震波，地震波在巖層以球面波的形式傳播，遇到阻抗界面發生頻率、速度、振幅等方面變化，通過初至時間，計算波阻抗界面位置，估算巖體相關物理力學參數，即可找到斷層、破碎帶或者巖溶等不良地質的位置，進而實現掌子面前方及周圍區域的地質預報，其原理見圖1。

使用北京程鵬科技有限責任公司生產的TSP305PLUS在天河山隧道進行數據采集，布置情況見圖2。

在隧道掌子面后方左右邊墻各設1個接收孔，同一水平線上布置24個等間距炮孔，間距設置為1.5 m。為了彌補地震波信號受圍巖影響而產生的衰減，在靠近掌子面位置的前8個激發孔裝填150 g炸藥，靠近接收器的8個激發孔裝填50 g炸藥，中間8個激發孔裝填100 g炸藥。所有激發孔均采用灌水密封的方式減少隧道管波對探測數據的干擾，觸發方式皆采用熔斷式觸發，從而更加準確記錄直達波到接收器的初至時間，得到更為精確的圍巖波速信息。通過TSP win軟件對數據進行分析處理，獲得P波深度偏移剖面、反射層提取、巖性參數和異常特征圖，根據反射波組合特征及其動力學特征解釋地質體性質。

地震波數據解譯基本原則:

(1)正反射振幅(紅色)代表正的反射系數，表示存在硬質巖層，負反射振幅(藍色)代表存在軟弱巖層；若橫波S反射比縱波P強，說明巖層飽含水。

(2)若泊松比或Vp/Vs突然增大，表示前方可能存在含水構造，地下水發育；若Vp下降明顯，表明前方巖體節理裂隙比較發育，巖體完整性差。

(3)彈性模量下降明顯，表明前方巖體巖質變軟，可能發育有軟弱圍巖。

根據測試數據經分析處理后得到的成果見圖3。結合當前掌子面地質情況及勘察設計資料，依據解譯原則，推斷解釋如表1所示。

表1 TSP預報結果及解譯

通過對數據成果進行進一步分析可以看出，DK36＋160～DK36＋184段橫波波速值較當前掌子面明顯增加，波阻抗和反射系數差別較大，Vp/Vs和泊松比上升明顯，存在明顯的負反射界面，進而推斷此段巖體節理裂隙較發育，巖體較破碎，含水量增加，可能出現滲水、涌水現象。

3.2 地質雷達法

地質雷達法(GPR)是基于地下介質的電性差異，向地下發射脈沖式高頻電磁波，當遇到有電性差異的界面或目標體發生反射波和透射波[12-13]。根據反射波到達時間求取傳播速度，確定界面或目標體的深度；根據反射波的強弱、形態等因素來判定目標體的性質。地質雷達工作原理見圖4。

由于前期TSP測試數據在DK36＋160～DK36＋184段圍巖參數變化較大，為進一步探明地質情況，故在隧道里程DK36＋160處，使用SIR4000對掌子面前方進行探測。布設兩條雷達測線，天線頻率為100 MHz，測點間距為0.1 m，記錄時窗為720 ns，疊加128次，探測距離為30 m(DK36＋160～DK36＋190)，圖5為探測成果。

一般砂巖的介電常數為6，水的介電常數為81，當巖體中富含地下水時，其介電常數較大，反射波表現為較強的正峰異常，同時出現強反射。從雷達探測結果可知，兩條測線圖像基本相像，16～30 m(DK36＋176～DK36＋190)反射波能量明顯增強，頻率由高頻變為低頻，推測巖體裂隙發育，且含水量較高，開挖過程局部可能出現股狀出水現象，需做好防水措施并加強支護。

3.3 孔內電視法

TSP法顯示在DK36＋160～DK36＋184段圍巖參數變化較大，推斷圍巖節理裂隙較發育，巖體較破碎，含水量增加；地質雷達法顯示在DK36＋176～DK36＋190段落反射波能量明顯增強，推測巖體裂隙發育，圍巖含水量較高。為了進一步明確地質情況，在DK36＋170位置展開孔內電視工作，圖6為孔內電視成果圖，探測里程為DK36＋170～DK36＋186。由圖6可以看出，巖層節理裂隙發育，巖體含水量較大。

3.4 總結

通過對地震波反射法(TSP)、地質雷達法、孔內電視所測得的結果進行綜合比較，基本確定了掌子面前方地質異常段落D2K36＋175～D2K36＋190主要為斷層破碎帶，由于該段地下水和圍巖節理裂隙都較發育，存在局部坍塌掉塊和出水的情況。施工單位根據超前地質預報結論制定好相應施工措施后，開挖至該段落時所揭露的圍巖情況與超前預報結論完全相符合(見圖7)，證明綜合超前地質預報相較于單一超前地質預報更加準確可靠。

4 結論

為提高超前地質預報的準確率，更加有效指導隧道施工，首先采取長距離地質預報手段(TSP)，以初步確定物探異常段落及其大致類型。由于長距離預報手段在分辨率的空間尺度上較大，后期再輔以短距離預報手段(地質雷達、孔內電視等)，從而進一步確定異常段落性質和范圍，指導工程人員提前擬定相應措施。

根據天河山隧道地質災害類型，使用綜合方法進行超前地質預報，準確率較高，保證了隧道工程順利進行，為以后鐵路安全開通運營奠定了基礎。