水平软弱岩层高速公路隧道超前地质预报技术

曾晓勤，李辉忠，张 啸，邱继云

(四川路桥建设集团股份有限公司公路隧道分公司，四川成都 610200)

在我国高速公路和高速铁路大建设中，长大隧道、地质复杂隧道的修建也越来越多，但由于地质复杂多变而引起的地质灾害事故在隧道建设中屡见不鲜。比如，在我国宜万铁路的施工建设中，线路穿越长江水系的岩溶极其发育的灰岩地带，曾经发生过齐岳山、野山关和马鹿箐等隧道的大突水事故;2010年1月16号在建南广铁路白云隧道发生突发性突水突泥地质灾害。因此，隧道施工对可靠、准确的超前地质预报提出了强烈的要求。本文以在建的成都～自贡～泸州高速公路马鞍山隧道超前地质预报技术为例进行介绍，给施工单位在类似的隧道施工情况中如何准确、及时预报地质灾害和有效规避地质灾害事故的发生提供参考。

1 工程概况

在建成都～自贡～泸州高速公路马鞍山隧道位于威远县境内，左洞长1827 m，右洞长1862 m，左线隧道最大埋深约173 m，右线隧道最大埋深约170 m。其中出口左右线为小净距隧道。隧道共设车行横通道2个，人行横通道4个。

马鞍山隧道穿越的主要地层即为有砂岩、泥岩等构成的近水平软弱岩层，这类地层具有以下显著特点:(1)岩层倾角较缓，一般小于5°，成近水平状;(2)岩层为砂泥岩互层，层间性质差异大、结合性差;(3)岩层强度低，属软岩～极软岩范畴，其中泥岩遇水后易软化，易于风化剥落。

沉积岩层层面为水平状态的岩层称水平岩层(一般认为水平岩层倾角小于5°)。水平岩层的同一层面海拔高度基本一致。从地质学上看，一般情况下，地质时代较新的岩层位于较老的岩层之上。水平岩层的厚度就是该岩层上下层面的高差，而其上下层面出露界线之间的水平距离的变化则受岩层的厚度和地形坡度的影响。

隧道在接近水平软弱岩层中开挖，进行超前地质预报的首要目的便是找出软弱地层的位置，以便在施工中提前采取措施，从而保证施工安全和快速。目前采用的超前地质预报方法种类繁多，且各有优缺点和适用范围。在马鞍山隧道中，采用了TSP 和超前水平钻孔相结合的方法对软弱水平岩层条件下的隧道施工开展超前地质预报，并取得了很好的实际效果。

2 TSP 超前地质预报基本原理

TSP(TunnelSeismicPrediction)法是利用地震波反射回波方法测量的原理。地震波震源采用小药量炸药激发产生，炸药激发在隧道边墙的风钻孔中，通常24个炮孔布置成一条直线。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一个。地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，其传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。

采用TSP 技术进行预报中，使用的仪器为TGP206 型隧道地质超前预报系统。预报检测时本工程出口掌子面位于YK114+754 里程处，在YK114+683 里程处右侧洞壁风钻孔中布置预报接收检波器，接收孔距掌子面71 m，激发炮孔在右壁的里程为YK114+703～YK114+746。在隧道右壁(面向大里程桩号方向)的同一水平线上从里向外布置24个炮孔，炮孔间距2.0 m，炮孔高度1.1 m;与接收孔的最近距离为20 m(图1)。

图1 TSP 炮孔布置平面示意图

3 TSP 超前预报结果

图2 纵波发射界面提取

图3 横波发射界面提取

图4 岩波速比分布

从图2～图4可以看出，马鞍山隧道已开挖段:围岩以泥岩、砂质泥岩及砂岩夹煤层为主，节理裂隙发育，层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合一般。测试结果表明，已开挖段纵波波速为4810 m/s，横波(Vs)速度为2190 m/s;动泊松比为0.241，属硬质岩范畴。在K114+765－K114+797 区段出现强烈的正反射，围岩变硬，整体性变好，可按序施工。在K114+797－K114+825 区段，纵波出现强烈的负反射，说明该段岩体较破碎，完整性较差，风化较重，施工中应密切注意拱顶掉块及基岩裂隙水的影响。随着隧道掌子面的不断推进，深部围岩内富存瓦斯由于受到隧道施工过程的扰动影响，可能向隧道掌子面溢出并聚积。因此，应严格按照相关规定在指定区域进行瓦斯手动检测，加强隧道通风，重点防止局部瓦斯聚集。

4 超前水平钻孔预测

4.1 钻孔方案

本次超前水平钻孔以探测前方地层条件为目的，同时与TSP 方法的预报结果相对应，从而对掌子面前方围岩的总体情况进行预测。本次钻孔设一个超前钻孔，该孔布置在掌子面上。图5为该钻孔的位置布置。

图5 超前钻孔位置布置

4.2 钻孔结果

本次超前钻孔工作人员在钻孔机器设备和工具进行质量安全检查后，开钻前对机器进行调试，对掌子面当前情况进行详细观察后，将放置机械的位置进行整平并设立稳定的台架，以便能顺利的钻出能准确体现岩层状况的岩芯。本次钻孔采用了108、89、75 三种规格的取芯钻头，完孔深度为35.8 m。

本次地质超前钻孔结果表明:掌子面前方35 m 范围内无构成瓦斯事故危险的煤层;超前地质钻孔实施过程中无卡钻、顶钻和喷孔等现象，打钻前后掌子面无瓦斯，钻孔内也无瓦斯涌出，表明该探测范围内瓦斯赋存少，瓦斯大面积涌出的可能性小;钻孔内无涌水。通过超前钻孔钻探，隧道出口掌子面前方17 m 范围围岩破碎、取芯率为30 %～40 %，RQD 值为13 %～50 %，但随后围岩完整性会变好，这与TSP预报结果一致。

5 结论及建议

(1)在软弱水平岩层中，通常会出现以砂岩为主的硬岩和以泥岩为主的软岩互层的情况。在这种情况采用TSP 方法对掌子面前方进行超前地质预报，可以获得150 m 范围以内隧道轴线方向围岩软硬情况的大致分布。

(2)在纵波波速较低以及强烈的负反射区段，辅以超前水平钻孔方法，对前方的围岩具体情况进行取芯验证，从而做到超前地质预报的“洞内外结合，以洞内为主;长短结合，以短为主;地质与物探结合”的原则，取得较好的超前地质预报效果。

(3)采用TSP 方法结合超前水平钻孔的综合超前地质预报在软弱水平岩层中预报距离长，对隧道的施工影响较小，预报及时、准确且精度高，使得隧道施工安全顺利的进行，避免不良地质灾害造成生命安全和财产的损失，节约了工程的经济成本。

(4)在做TSP 测量和水平超前地质钻孔时，预报人员注意现场周围围岩地质的变化以及地下水的变化情况，将足够的合理的现场测试结果与提供的工程地质素描图及其地质勘察数据对比，运用地质和岩体力学等知识和前人总结的经验就会得出较高精度的超前地质预报结果。

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