綜合超前地質預報在隧道項目中的應用研究

摘要 為進一步探究綜合超前地質預報在隧道工程中的應用要點內容，文章以某隧道工程項目為研究對象，針對其自身存在的復雜因素，綜合應用地震波反射法（TSP）、瞬變電磁法和地質雷達法，對該隧道項目進行綜合超前地質預報，以探究該隧道區段內存在的巖體破碎特征、溶蝕裂隙發育特征和地下水發育特征。從現場開挖驗證結果來看，現場開挖與綜合超前地質預報得到的探測結果基本相同，因此證明了該綜合超前地質預報方法較為準確，研究成果具有一定應用價值。

關鍵詞 綜合超前地質預報；隧道工程項目；TSP；瞬變電磁法；地質雷達法

中圖分類號 U452.11 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）15-0098-03

0 引言

在當前的新建交通工程中，進行隧道開挖施工已經成為難以回避的任務。隧道開挖施工具有相當高的復雜性，特別是這一過程通常會擾亂原有巖石圈的應力平衡，由此產生的風險因素在施工過程中也變得更加顯著，包括但不限于塌方冒頂、大變形、巖爆、突水突泥等。為有效地應對這些風險因素，則需要結合具體隧道工程案例，對超前地質預報技術進行綜合應用，以及時識別和規避風險。

1 項目概況

該研究主要針對某新建公路工程中的隧道施工項目進行，該隧道全長約為8.5 km，除進出口段有一定彎度，中間為直線，隧道軸線方向約為180°，埋深最深約1 386 m，全線均為單向兩車道分離式道路，設計速度80 km/h。通過前期地質勘察結果獲知，由于該項目隧道區域地質水文條件復雜度均較高，加之地層巖性不均勻，區域性巖溶地段分布較多，因此在實際施工過程中，主要存在以下幾方面的風險因素：（1）由于隧道埋深較大，且含水量較為豐富，因此發生涌水突泥風險較高；（2）由于隧道內巖體松散破碎特征較為顯著，因此在施工過程中容易發生塌方風險；（3）因隧道內存在巖體破碎帶，圍巖自承能力較差，整體穩定性較差，加之地下水作用使得襯砌結構的圍巖壓力較大，易發生大變形。針對上述問題，決定應用綜合超前地質預報方法對該施工區段進行全面探測，從而為后續施工提供參考。

2 綜合超前地質預報工作方法

2.1 地震波反射法（TSP）相關流程

結合該隧道工程設計方案，該工程基于TSP的探測工作確定在隧道擬施工區域K43+065掌子面的邊墻位置進行，并以TSP303超前地質預報系統進行作業，具體步驟如下：根據隧道內巖層的走向確定炮孔布置在左邊墻或右邊墻位置，從掌子面附近的邊墻位置開始布置第一個激發孔，以后每間距1.5 m處布置下一個激發孔，激發孔向下傾斜10～20 °，孔深為1.5 m，連續布置24個激發孔。在第24個激發孔朝著洞口的方向量測15～20 m，分別在左、右邊墻的位置布置一個地震波信息接收孔，孔徑為50 mm，深度為2 m。激發孔與接收孔基本保持在同一個高度上，待鉆孔全部完成需要對孔間距進行量測并與隧道里程發生關系，測線和測點全部布置完成后，將起爆線、檢波器和終端設備進行連接，從第24個起爆點開始作業，逐一進行，直至第1個起爆點作業完成，在終端設備上對檢測到的信號進行采集。

2.2 瞬變電磁法及其相關流程

結合該次隧道擬施工區域實際地形特征，應用Terra TEM瞬變電磁勘探系統，按照垂直于該研究區的構造方向進行布置測線和探測，以進行數據采集。

數據采集完成，為得到直觀的可視化參數，基于如下步驟對數據進行處理：

進行數據濾波處理，以消除環境因素帶來的噪聲信號的干擾，此文選取6個同時運行的卡爾曼濾波器（每個濾波器的噪聲協方差矩陣相互獨立），將濾波器的輸出結果N進行加權計算，計算公式如下：

（1）

式（1）中，Wh——每個濾波器分配的權值；Xh——各個濾波器的輸出結果。結合實際需要，該次各個濾波器的權值均相等。

進行時深轉換，野外采集到的數據是隨時間變化的二次場，需要利用反演后得到的視電阻率和修正深度。對圖件進行繪制。將研究區內測線按照線號對轉換過的數據進行分解，以得到各測線視電阻率擬斷面圖（電性隨深度變化）。最后以目的層的標高變化再繪制各目的層視電阻率順層切片圖。由此得到視電阻率ρ計算公式如下：

（2）

在式（2）中，q——接收線圈的有效面積（㎡）；V（t）——感應電壓（V）；m——發射磁矩（N·m）；t——時窗時間（s）；u——磁導率。

出于深層次視電阻率分析的需要，明確視深度和視縱向電導S兩方面的指標，計算公式分別如下：

（3）

（4）

在式（3）與式（4）中，A——發射回線面積（㎡）；V（t）/I——歸一化感應電壓（V）；d（V（t）/I）/dt——歸一化感應電壓對時間t的導數；q——接收線圈的有效面積（㎡）；u——磁導率。

基于上述流程與公式，數據預處理軟件采用Terra TEM配套軟件 TEMPlot_terra TEM 和針對重疊小回線方法編寫預處理程序，再利用IX1D V3.46進行反演，即可對數據進行綜合解釋[1-2]。

2.3 雷達探測方法及其相關流程

在該項目地質雷達探測過程中，結合隧道初步擬定施工方案，在隧道掌子面上布置三條水平橫測線和一條縱測線，具體則在拱腰、墻腰和距離隧道底部高約1.5～2 m處各布置一條，縱向測線設置在隧道中心。以100 MHz雷達波信號對數據進行采集，并對采集到的原始數據依次進行數據文編輯、波速估計、數字濾波、反褶積、偏移歸位五個步驟的處理，以得到雷達探測結果。

3 綜合超前地質預報結果分析

3.1 斷層破碎帶探測

在斷層破碎帶探測工作中，首先針對該隧道工程標段K43+065～K43+185進行探測。根據前期地質勘查資料得知，該區段主要表現為硬質巖層，結構面貼合度較低，存在一定程度上的裂隙和巖溶發育。因此，通過在該隧道工程標段K43+065邊墻位置布置炮孔和傳感器進行探測，得到TSP探測結果。

在該次探測的隧道標段內，典型測試范圍及其表現如下：（1）在隧道K43+065～K43+113區間內，主要表現為破碎和易掉塊的巖體，節理裂隙發育程度較高，地下水浸潤特性較為突出，同時也存在滴水狀地下水；（2）在K43+113～K43+132區間內，存在較破碎巖體，節理裂隙同樣具有較高的發育程度，但未見顯著地下水浸潤情況；（3）在K43+132～K43+155區間內，巖體破碎程度較高，節理裂隙高度發育，地下水表現為浸潤狀；（4）在K43+155～K43+185區間內，巖體較為破碎，節理裂隙發育，但未見顯著地下水浸潤情況[3-4]。

基于上述特征，進一步在K43+065點位的掌子面上應用地質雷達做進一步探測，以判斷前方巖體完整度，得到該掌子面各條測線上的雷達探測結果。在該次探測的K43+065～K43+185區間內，巖體因強度較低表現出較為破碎的特點，且同時表現出較為明顯的嚴重風化特征，另外，該區間內溶蝕裂隙發育程度也較高，且仍然存在著進一步發育溶蝕裂隙的可能。據此進一步分析可知，受地層地貌及斷層控制因素等的影響，裂隙巖體中含水量仍然存在著增大的可能性。

3.2 涌突水探測

在涌突水探測環節中，基于TSP法并結合地質分析進行第一階段分析，預測范圍則設定為K43+065～K43+113，據此首先以TSP法進行探測。

基于TSP探測結果進行解譯后，可得到以下幾方面的探測結果：（1）在區段K43+065～K43+083內，巖體質量偏差，巖體破碎程度較高，節理和巖溶裂隙水均表現出較強的發育特征，同時巖體內部也具有較高含水量，為典型的富水區段；（2）在區段K43+083～K43+096內，巖體具有較高破碎程度，但未見顯著節理裂隙，僅存在少量的裂隙水；（3）在區段K43+096～K43+113內，巖體完整程度相對較高，但節理裂隙也已經較為發育。

根據上述解譯結果可知，區段K43+065～K43+113內的實際情況相對最為復雜，涌突水風險明顯高于其他區段，因此以該區段為基礎，進一步應用瞬變電磁法進行短距離探測，得到探測解譯結果如圖1所示。

另外，為進一步提高涌突水風險探測的全面性，研究人員同時應用地質雷達進行補充探測，根據上述基于瞬變電磁法和雷達探測法獲得的解譯結果進行綜合分析后，可得出如下分析結果：（1）通過應用瞬變電磁法進行探測后，得到區段K43+065～K43+096內存在大面積視電阻率較低區域，據此推斷，該區域巖層富水性普遍較強，巖體含水量大，為強富水區，同時掌子面前方也可能存在一定的巖溶裂隙發育特征。（2）通過應用地質雷達進行探測后，得到區段K43+096～K43+113內表現為典型的巖體破碎和溶蝕裂隙發育特征，存在較高的巖層掉塊脫落與崩塌等風險；同時該區域地下水發育程度較高，推斷巖體的富水性也較高，存在著一定的涌水風險。

4 鉆探驗證結果對比分析

為檢驗上述超前地質預報結果的準確性，研究人員進一步進行現場驗證工作。首先，針對該次探測的K43+065～K43+185區間進行現場開挖驗證，并將驗證結果與基于TSP和雷達的分析結果進行對比，得到對比驗證結果如表1所示。

根據表1中的探測結果對比分析可知，現場開挖驗證結果和前文中的基于TSP與雷達的探測結果之間基本不存在顯著差異，因此可以認為該區段的探測結果較為準確。

其次是進一步應用超前鉆探方法，對涌突水探測區段K43+065～K43+113進行分析，得到分析結果如表2所示。

根據表2中的超前鉆探結果可見，在該區段內，隨著里程數的增大，巖體的整體變化趨勢轉差，特別是在K43+113～K43+104區段內已經出現了地下水較發育和巖體完整性較差的特征。根據上述特征推斷，探測區段前方可能存在地下水充填型溶洞或暗河通道。

基于上述超前鉆探結果，進一步通過現場隧道開挖模式對上述各類型的探測結果進行驗證。結果顯示，在開挖的初始階段（對應K43+083～K43+065區段）未出現明顯的異常現象，而在開挖到K43+104～K43+083區段時，巖體處于較破碎～較完整特征，但已經發生涌水現象，主要以淋雨狀和點滴狀，最大涌水量約為30 m3/h。此后，隨著開挖的進一步推進，在開挖到K43+113～K43+104區段時，涌水問題進一步突出，主要表現為股狀水涌出，最大涌水量也迅速增長到200 m3/h左右，同時，該區段也伴隨著破碎巖體剝落、掉塊等特征，初步推斷該區段如不進行支護則容易造成崩塌現象。從上述現場開挖驗證結果來看，其與前文所述的預報和探測結果基本吻合，因此可以認為該工程綜合超前地質預報工作具有較高的準確性。

5 結束語

在該研究工作中，針對某隧道工程的復雜地質條件，綜合應用TSP、瞬變電磁法和地質雷達探測三種方法進行超前地質預報，以此明確該隧道工程內部巖層的基本特征，包括斷層破碎帶、地下水發育情況等。通過上述分析，確定了探測區段內存在的巖石破碎特征、裂隙發育和富水性等因素，同時通過現場開挖驗證確定了該綜合超前地質預報的準確性。該綜合超前地質預報結果為后續的施工作業提供參考借鑒。

參考文獻

[1]付雷鋒.超前地質預報技術在巖溶隧道中的對比應用[J].建筑技術開發，2024（1）：100-102.

[2]李曉兵.綜合超前地質預報技術在復雜地質富水隧道中的應用[J].四川建材，2024（1）：49-50+53.

[3]張涵.綜合物探法在新疆某引水隧洞超前地質預報中的應用[J].紅水河，2023（6）：118-122.

[4]楊繼華，楊風威，房敬年，等.基于多源信息的雙護盾TBM施工隧洞綜合超前地質預報方法及應用[J].應用基礎與工程科學學報，2023（6）：1571-1589.

收稿日期：2024-04-15

作者簡介：楊剛（1987—），男，本科，工程師，研究方向：隧道實驗檢測。