隧道超前地质预报重叠段结论不一致的处理

陈利杰

（赣龙复线铁路有限责任公司 龙岩 364000）

由于地下工程施工过程的不确定性，为确保隧道施工安全，在铁路行业，隧道超前地质预报已被要求纳入工序管理，其目的是：①进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件，指导工程顺利进行；②降低地质灾害发生的机率和危害程度；③为优化工程设计提供地质依据［1］。

常用的超前地质预报方法有地质调查法、超前钻探法、物探法、超前导坑预报法，其中物探法包括弹性波反射法（地震波反射法、水平声波剖面法、负视速度法和陆地声纳法等）、电磁波反射法（地质雷达探测）、红外探测、高分辨直流电法等。目前，在实际工作中，地震波发射法的应用相对普遍和成熟。

地震波反射法连续预报时前后2 次应重叠10m 以上，在软弱破碎地层或岩溶发育区，一般每次预报距离应为100m 左右，不宜超过150m；在岩体完整的硬质岩地层每次可预报120～180 m，但不宜超过200 m。在地震波反射法超前地质预报实施过程中常常出现重叠段波速不一致的情况，本文以某双线铁路隧道超前地质预报为例，在分析这一现象形成原因的基础上，提出针对性处理措施，以期为隧道超前地质预报提供借鉴。

1 工程概况

赣龙铁路扩能改造工程汀州隧道位于福建省长汀县境内，起始里程DK146＋720，终点里程DK154＋458，全长7738 m，洞身最大埋深约600m。

隧址区位于泉上－长汀复式向斜，基底出露震旦纪和早古生代地层，震旦系为一套板岩、变质砂岩和千枚岩夹硅质岩和磷块岩、黄铁矿薄层。隧址区地质构造较复杂，据区域资料、沿线实地勘察及物探测试结果综合分析，在该地区发现断裂构造7条及4条节理发育密集带，全隧地下水发育。根据勘探资料，隧道可能存在以下几种不良地质：高地温、硬质岩爆、软岩大变形等。主要地层岩性为变质砂岩、页岩、板岩，按照隧道设计图，不同围岩级别的长度及所占百分比分别为：II级围岩长1 545m（占20%），III级围岩长4 562m（占59%），IV 级围岩长788m（占10.1%），V 级围岩长843m（占10.9%）。

隧道施工超前地质预报采用工程地质分析与物探探测相结合的方式进行。物探探测主要采用电磁波反射法和地震波反射法。电磁波反射法采用瑞典MALA 地球科学公司生产的RAMAC X3M 型探地雷达。探测时，使用发射频率为100 MHz的屏蔽天线。地震波反射法采用北京水电物探研究所生产的TGP206A 型隧道超前地质预报仪［2－3］。

2 主要问题

在汀州隧道地震波反射法超前地质预报探测过程中出现前后2次预报重叠段纵波波速不一致，围岩级别判释结论不一致。例如：汀州隧道进口DK146＋971～DK147＋131段和DK147＋095～DK147＋215段重叠段TGP 预报结论显示有所差异，见表1和图1、图2。

表1 前后2次重叠段结论对比

图1 综合偏移处理成果图（DK146＋971～DK147＋131段）

图2 综合偏移处理成果图（DK147＋095～DK147＋215段）

从表1 和图1、图2 可看出，DK146＋971～DK147＋131 段和DK147＋095～DK147＋215段重叠段为DK147＋095～DK147＋131段，前后2次探测结果显示：判断的围岩纵波波速和围岩级别均不一致，地下水的发育程度也不一致。

3 原因分析

地震波反射法超前地质预报是根据处理后的纵横波波速分布图、纵横波绕射偏移图和界面反射情况进行综合分析，推断开挖面前方围岩的工程地质、水文地质条件；结合掌子面及激发炮孔段的围岩级别及物理力学参数、波速分布、地下水及软弱夹层情况，参照铁路隧道围岩级别的分类方法对围岩级别进行评估和推断。汀州隧道采用地震波反射法超前地质预报探测过程中出现前后2次预报重叠段纵波波速不一致，围岩级别判释结论不一致的原因主要有：

（1）纵波波速方面。第一次（DK146＋971～DK147＋131段）预报的总长度（160 m），重叠段距预报起始位置的距离（124m）。因为地震波能量弱、经长距离传播后能量更低、界面反射信号弱是导致较远区段预报准确性降低的主要原因［4］。

此外，由于汀州隧道围岩较破碎，地震波反射法超前探测过程中很多炮孔水封效果不好（在往炮孔注水过程中，水直接沿节理、裂隙流走）。这些水封效果不好的炮孔由于爆破激发地震波的大部分能量直接由孔口溢出，所以沿围岩传播的能量较弱，这导致较远区段预报的准确性明显降低。此外，由于汀州隧道大量地段采用台阶法施工，地震波反射法所需的炮孔在很多情况下不能全部布置在一条直线上，这也使较远区段预报的准确性明显降低。从而出现前后2次预报重叠段纵波波速不一致。

（2）围岩级别方面。围岩级别受诸多因素（如岩块的强度、完整性、结构面的发育情况、地下水、构造应力等）的影响，纵波波速不能全面地反映这些因素的变化。薄的软弱夹层并不能使波速明显降低，但对围岩的稳定性却有较大影响。超前地质预报判释结论主要根据探测成果中的纵、横波波速分布，按照《铁路隧道设计规范》（TB1003－2005）中的“围岩基本分级标准”进行围岩基本分级。由于基本分级为未考虑地下水和其他因素对围岩稳定性影响下的分级，所以还需结合其他因素对围岩级别进行修正。考虑探测区域不同区段地下水的发育情况对围岩基本分级进行地下水影响修正。按照《铁路隧道设计规范》（TB1003－2005）及《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》（TB10108－2002）中“地下水影响对围岩级别修正”的相关规定，地下水发育地段，围岩级别降一级。

在汀州隧道地震波法的多次探测成果的综合偏移图、纵横波绕射图中均出现正、负反射交替出现，但纵波波速并未出现锯齿形高低起伏的信息。这说明探测区段软弱夹层发育但厚度不大，与开挖揭示的情况一致。由于软弱夹层不厚，加之软弱夹层是区域性动力接触变质作用形成的，在未开挖条件下与周边岩层呈挤压密贴状态，所以不会使波速明显降低。上述原因导致汀州隧道地震波探测所得围岩的纵波波速比其他地方同级别围岩的略高。考虑到该隧道的软弱夹层多为炭质页岩，受水浸润易软化、崩解，受其影响围岩易滑落、掉块甚至塌方，对围岩稳定的不利影响很大。综合考虑地下水、软弱夹层等影响因素，对根据波速判定的围岩基本等级进行修改后，得出最后的围岩等级。

《铁路隧道设计规范》（TB1003－2005）中围岩基本分级（未考虑地下水及其他修正）为Ⅰ级的纵波波速为大于4 500m／s。考虑地下水影响修正后为II级，考虑软弱夹层对波速及围岩稳定性的影响后，围岩级别还应降低。所以在汀州隧道预报中，将波速在5600 m／s以上、软弱夹层发育，地下水发育或较发育地段的围岩评估为III级。《铁路隧道设计规范》（TB1003－2005）中围岩基本分级（未考虑地下水及其他修正）为II级的纵波波速为3500～4 500m／s。考虑地下水修正后为III级，考虑软弱夹层对波速及围岩稳定性的影响后，围岩级别还应降低。所以在汀州隧道预报中，将波速在4500 m／s以内、软弱夹层发育、地下水发育或较发育的地段围岩评估为IV 级。

4 处理措施

分析表明，重叠段预报成果不一致的主要原因是预报的距离长、围岩破碎造成地震波能量减弱，影响了预报的准确度，以及地下水的发育情况、软弱夹层对围岩级别的修正。为解决地震波反射法超前地质预报探测过程中出现前后2次预报重叠段结论不一致的问题，在上述原因分析的基础上，提出以下措施：

（1）缩短地震波反射法的预报距离，一次以100m 长为宜。

（2）提高破碎围岩中地震波数据的采集质量，具体包括：确保炮孔深度，围岩与初期支护不密贴时适当增加炮孔深度，钻孔后插入PVC管防止坍孔；炮孔向下倾斜，确保水封效果；采取措施，使炮孔、接收器孔在一条直线上等。

（3）采取长、中、短距离预报相结合和不同预报手段相组合的综合预报方法，并将各预报手段获得的资料进行综合分析与判断。

（4）对不同预报手段“扬长避短”，对需要预报的隧道进行地质复杂程度分级，根据可能存在的不良地质与特殊岩土选择适合各隧道不同段落地质条件的综合预报方法。

例如：断层预报以地质调查法为主，必要时采用红外探测、高分辨直流电法探测断层带地下水的发育情况及超前钻探法验证；岩溶预报以地质调查法为基础，以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报，并采用宏观预报指导微观预报、长距离预报指导中短距离预报的方法；煤层瓦斯预报以地质调查法为基础，以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报；涌水、突泥预报以地质调查法为基础，以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报［5］。

在采用上述方法后，超前地质预报的准确度明显提高。

5 结语

超前地质预报作为隧道工程施工过程中规避施工风险的一项重要保证手段，已被广泛运用。超前地质预报的预测精度是隧道施工安全的基本前提，而隧道超前地质预报重叠段预报成果不一致一直是隧道超前地质预报实际实施时的难点。从汀州隧道实际预报过程来看，隧道超前地质预报重叠段预报成果不一致的主要原因有：预报手段局限性的影响、预报操作技术的影响、客观地质条件的影响。在施作隧道超前地质预报时可以通过缩短预报长度、改进预报操作技术、优化预报手段来综合解决超前地质预报重叠段结论不一致的技术难点，提高超前地质预报的预测精度，为隧道安全施工提出准确的指导意见。

［1］齐传生，周振国，杨世武，等.铁路隧道超前地质预报技术指南［M］.北京：中国铁道出版社，2008.

［2］赵永贵，刘 浩，孙 宇.隧道超前地质预报研究进展［J］.地球物理学进展，2003（9）：460－464.

［3］李天斌，孟陆波，朱 劲.隧道超前地质预报综合分析方法［J］.岩石力学与工程 学报，2009（12）：2429－2436.

［4］汪成兵，丁文其，由广明.隧道超前地质预报技术及应用［J］.水文地质工程地质，2007（1）：120－122.

［5］李 勇，孙喜峰，李 廷.隧道施工地质超前预报方法［J］.地质与资源，2004（6）：79－83.