綜合超前地質預報技術在大磅山隧道中的應用

孟慶鋒

（中交三公局第一工程有限公司，北京 100000）

1 引言

隧道前期勘察是明確現場地質條件的重要途徑，但礙于方法有限、時間不足、現場環境復雜等緣故，勘察獲取的地質資料缺乏完整性，不足以全面反映現場地質情況。綜合超前地質預報技術是一種更具全面性與準確性的方法，在探明隧道地質條件方面有突出的作用，但其涉及的操作要點豐富，需加強技術探討，以科學的方法探測后，獲取具有參考價值的信息，為隧道工程建設打下良好基礎。

2 工程概況

大磅山隧道起訖樁號K98+045～K98+885/ZK98+050～ZK98+905，右線840 m，左線855 m，單洞Ⅲ級圍巖300 m，約占總長的18%；Ⅳ級圍巖1 196 m，約占總長的70%；Ⅴ級圍巖199 m，約占總長的12%。隧道進、出口洞門形式均為削竹式，隧道內規劃2處人行橫通道。

3 地質情況

1）氣象水文條件：隧址區地下水以碳酸鹽巖巖溶裂隙水、碎屑巖基巖裂隙水為主。地下水埋深淺，補給徑流條件差。

2）地質情況：根據沿線地貌分區，隧址區起點K98+060～K98+457屬構造侵蝕、溶蝕峰叢谷地地貌區；K98+457～K98+885（隧址區終點）屬構造剝蝕緩坡低山丘陵地貌區。

4 超前地質預報

4.1 地質調查分析

洞身深埋地段硬質巖段的探測還需考慮掌子面及兩側圍巖的剝落程度，評估是否有巖爆的可能，必要時采取防控措施。對于洞身深埋地段的軟巖以及極軟巖段，考慮到易變形的特殊性，探測時還需充分關注掌子面圍巖及兩側壁的變形特征，評估是否有變形的可能[1]。

4.2 超前地質預報工作順序

1）隧道爆破開挖后安排地質調查，根據掌握的現場地質信息進行地質素描，用于匯總地質特征。每10 m記錄一次，地質條件特殊時增加記錄的頻率。

2）約每隔100 m用TSP探測一次，初步掌握掌子面前方的不良地質。

3）取距離不良地質體約30 m的位置，用瞬變電磁儀或地質雷達進行探測，進一步核實不良地質，更具全面性地明確具體特征。

4）物探結果顯示前方有不良地質體時，需要密切關注掌子面的所處位置，在臨近不良地質體約10 m時鉆孔檢驗，準確判斷地質條件。

5）綜合考慮前期地勘結果、物探結果、鉆探結果，準確判斷不良地質體的類型、覆蓋范圍以及程度[2]。

4.3 地質綜合超前預報技術

斷層地帶有涌水、突泥乃至坍塌的風險，必須在安全的前提下順利通過斷層破碎帶，避免施工期間發生安全事故。經過反復調研和方案比較，決定采用TSP、探地雷達、紅外線等先進的技術手段結合超前探孔等綜合預報技術。利用TSP203超前地質預報技術探測前方100 m內的圍巖地質，綜合地質雷達、紅外探測儀等測定的探測信息對前方地質條件做系統性的分析，做到有疑必探、先探后掘。最后利用前述所有手段的監測結果進行綜合分析，以對前方圍巖進行綜合判定。綜合預報技術的實施方案如圖1所示。

圖1 各種預測預報手段組合方案

5 預報實施情況

超前地質預報聯合應用TSP206G系統和地質雷達兩種方法。地質雷達采用中國電波傳播研究所LTD-2100地質雷達和100 MHz天線，點測方式進行，平均點距約為0.1 m；測線布設在掌子面距地面0.5 m的位置，如圖2所示。

圖2 掌子面測線布置示意

考慮到超前地質預報距離遠、現場地質條件復雜的特殊性，測線TSP超前地質預報采用TSP206G系統，以便有效滿足探測要求。人工振源在隧道右邊壁設24個炮點，用小量炸藥激發。

6 預報結果與施工建議

6.1 TSP探測

6.1.1 預報分析

數據采集采用TSP200地震預報儀，設置的激發孔、接收孔分別為24個、2個，高度約為1.2 m，布設位置規劃在隧道左右壁。經過對數據的采集后，用TSPwin專用軟件處理，基于數據信息生成縱波三維繞射成像圖、反射界面，作為地質條件預測的重要參考。

根據探測的資料做如下分析：（1）負反射振幅時，巖層變軟；正反射振幅時，巖層變硬；遇正反射和負反射組合的情況時，表明探測區域內存在斷層。（2）從反射強度來看，橫波強于縱波時，巖層飽含水。（3）泊松比或縱橫波速明顯增加時，表明探測區域有流體，即流體的存在而導致此類指標的增加。（4）縱波波速降低時，探測區域存在裂隙。

6.1.2 預報結論

結合TSP探測結果、現場地質觀察和相關勘察設計資料，具體預報結論如下。

1）K98+045～K98+300段：本段縱波波速為1～2.0 km/s，巖性較測試面無明顯變化，推斷此區域圍巖破碎，巖體強度低，層間結合的穩定性不足。開挖存在擾動作用，拱部有局部掉塊乃至坍塌的可能；水文條件方面，地下水較發育，以滴水狀或股狀的出水方式居多，按Ⅴ級支護。

2）K98+300～K98+402段：本段縱波波速較上一段有所提高，為2～3.0 km/s，推斷此區域圍巖較破碎，巖體強度低，層間結合的穩定性不足。開挖存在擾動作用，拱部有局部掉塊乃至坍塌的可能；水文條件方面，地下水較發育，以滴水狀或股狀的出水方式居多，按Ⅴ級支護。

3）K98+402～K98+440段：縱坡波速1～2.0 km/s，圍巖破碎，節理裂隙很發育，巖體強度低，層間結合的穩定性不足。開挖存在擾動作用，拱部有局部掉塊乃至坍塌的可能；水文條件方面，地下水較發育，以滴水狀或股狀的出水方式居多，按Ⅴ級支護。

4）K98+440～K98+454段：本段縱波波速較上一段有所提高，接近3.0 km/s，推斷此區域圍巖較完整，巖體裂隙較發育，強度低，層間結合的穩定性不足。開挖存在擾動作用，拱部有局部掉塊乃至坍塌的可能；水文條件方面，地下水不發育，以滴水狀的出水方式居多，按Ⅴ級支護。

5）K98+454～K98+710段：本段縱波波速較上一段有所降低，為2～3.0 km/s，推斷此區域圍巖較破碎，巖體裂隙發育，強度低，層間結合的穩定性不足。開挖存在擾動作用，拱部有局部掉塊乃至坍塌的可能；水文條件方面，地下水不發育，以滴水狀的出水方式居多，按Ⅴ級支護。

6）K98+710～K98+885段：本段縱波速較上一段有所提高，接近3.0 km/s，推斷此區域圍巖較完整，巖體裂隙較發育，強度低，層間結合的穩定性不足。開挖存在擾動作用，拱部有局部掉塊乃至坍塌的可能；水文條件方面，地下水不發育，以滴水狀的出水方式居多，按Ⅴ級支護。

6.1.3 施工建議

1）K98+045～K98+300、K98+402～K98+440區域圍巖破碎，節理裂隙發育，強度低，層間結合的穩定性不足。開挖存在擾動作用，拱部有局部掉塊乃至坍塌的可能；水文條件方面，地下水較發育，以滴水狀的出水方式居多，局部以淋雨狀或涌流狀為主，施工時應做好地下水的疏導工作，短進尺、多循環、弱爆破、加強初期支護、及時施作二次襯砌，防止掉塊、坍塌等工程地質災害的發生，確保工程及施工安全。

2）建議施工技術人員應根據物探結果實時觀察開挖后和支護后的圍巖變化，做好記錄并及時反饋信息。加強施工監測，及時反饋監測信息，做到有效指導施工，確保施工安全，開挖后掌子面及時初噴混凝土，并做好排險、防護工作。

3）超前地質預報須以長距離和短距離相結合的方式，本次超前地質預報結果還須通過短期預報情況相互印證。

6.2 地質雷達探測

6.2.1 預報結論

根據LTD-2100地質雷達回波圖、現場地質觀察和勘察設計資料綜合分析推斷。掌子面前方0～30 m的波形振幅強，波形雜亂。測試雷達圖像顯示，探測區域內的巖體破碎，節理裂隙發育，層間結合的穩定性不足。水文條件方面，地下水較發育，以滴水狀的出水方式居多，局部涌流狀或淋雨狀，應加強對拱部的防控，主動提高拱部的穩定性并減小外部對其的影響，以免拱部掉塊、坍塌。

6.2.2 施工建議

1）K98+300～K98+402范圍內巖體破碎，層間結合及自穩能力差，地下水較發育，以滴水狀或股狀的出水方式居多，局部涌流狀或淋雨狀，拱部易由于開挖的擾動而掉塊乃至坍塌。為保證施工安全，按照短進尺、多循環、弱爆破、強支護的思路進行施工，這期間加強對地下水的疏導，主動降低地質災害的發生概率，保障施工安全。

2）建議施工技術人員根據物探結果實時觀察開挖后和支護后的圍巖變化，做好記錄并及時反饋信息。加強施工監測和信息的及時反饋，以信息為指導，有效施工，竭力營造安全的施工環境；掌子面開挖后，初噴混凝土，混凝土的固結有利于穩固巖土體；從現場施工條件出發，采取針對性的排險、防護措施，最大限度地消除安全隱患[3]。

7 結語

經過本文對綜合超前地質預報技術的分析，提出作業要點，現做如下總結：

1）隧道超前地質預報信息能為工程施工提供重要參考，在超前地質預報時，首要前提在于做好地質工作，在此基礎上結合其他預報方法，更具全面性地掌握隧道的地質條件，據此編制預報方案。

2）為獲取準確的地質信息，需充分掌握地質資料和高質量物性資料，進而進行物探資料的解譯，更加準確地判斷地質條件。

3）超前預報方法豐富，根據地質情況、預報距離等條件合理搭配，獲得完善的、準確的預報信息。

4）對比分析開挖揭露情況和預報結果，檢驗超前預報方法的可行性，針對不足之處加以調整，提高超前預報水平。