综合超前地质预报在六盘山隧道施工中的应用

王 凯

(中铁一局集团有限公司，陕西西安 710054)

1 工程概况

1.1 总体介绍

东毛高速六盘山隧道是东毛高速公路的控制性工程，全长9.49 km，按双向四车道高速公路标准设计，设计速度为每小时80 km，其进口位于泾源县东山坡，出口位于隆德县东侧。六盘山隧道设计为单洞分离式隧道，左右线间隔31 m～48 m，属超长隧道。左线隧道起迄桩号为ZK6+270，ZK15+760，隧道长度9 490 m，左线进口位于直线上，出口位于半径为R=3060的圆曲线上，隧道纵坡为1.676/-2.782;右线隧道起迄桩号为K6+230，K15+710，隧道长度9 480 m，右线进口位于直线上，出口位于半径为R=3080的圆曲线上，隧道纵坡为1.68/-2.7。

1.2 气象、水文

本项目所经区域属内陆性季风气候，地处中温带半湿润向半干旱过渡地带，四季不分明，冬长且冷，春秋凉爽，夏季短而温和。昼夜温差较大，春季升温快，秋季降温迅速，无霜期短;干旱、霜冻、冰雹等自然性灾害天气频繁。

该区域多晴朗天气，日照较充足，年平均日照数为2 193.3h。年平均气温5.1℃，元月份最低，7月份最高，昼夜温差较大，一般在20℃ ～22.3℃之间，历年最低极端气温-25.7℃，最高极端气温31.4℃，近15年的月平均最低气温0.5℃。平均无霜期为124 d。主导风向为东南风。区内年平均降水量为745.4 mm，最大冻土深度为113 cm。全年降水量最多为8月份，占全年23%，最少为12月份，占全年0.6%。全年蒸发量为773 mm～978 mm。

六盘山为区域分水岭，六盘山以东为泾河水系，以西为渭河水系。发育于六盘山以东的沟谷主要有顿家川、东山坡沟、黑沟渠，这些沟谷均具长年流水。发育于六盘山以西的渝河属渭河水系，主要沟谷有清凉河(大峡、小峡)、直峡、黄家峡等，这些沟谷均具长年流水，尤以大峡与小峡流量颇大。并在工作区内已建成清凉水库、黄家峡水库、直峡水库等，清凉水库是隆德县城的唯一供水水源地。

1.3 地形、地貌

项目区地势基本上为中间高两侧低，六盘山主脉地势最高，海拔2 900 m左右，南北走向，为中低山岭地貌，区内峰峦叠嶂、沟谷纵横、山大沟深，路线经过处宽度约10 km。六盘山主脉西坡较缓，相对高差约为800 m，平均坡度约为10%，东坡较陡，相对高差约为1 000 m，平均坡度约30%。

项目区内地貌按成因类型、形态可划分为侵蚀构造中低山、侵蚀构造丘陵、渝河三级阶地和侵蚀堆积河谷四种地貌类型。

2 综合超前地质预报

2013年1月21日，在东毛高速公路六盘山隧道A3标斜井，采用TSP 203plus仪器进行数据采集。震源点位于右侧墙，设计24炮，实际激发22炮，炮点间距约1.5 m，传感器桩号K1+076。本次探测范围为斜井K0+997～K0+897，共100 m。同时在掌子面还实施了地质雷达法超前地质预报。

如图1所示，探测掌子面围岩的岩性为弱风化泥质粉砂岩，岩体较完整，局部存在裂隙。

2.1 TSP超前地质预报

2.1.1 TSP预报方法原理

预报采用瑞士安伯格公司生产的TSP 203plus隧道地震超前预报系统。TSP测量系统是通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中以微震爆破来发射信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面波的形式向四周传播，在传播过程中遇不良地质体(如地层层面、层理面和节理面，特别是断层破碎带界面等)被反射回来，TSP测量系统用三分量传感器将这些信号进行采集并记录，通过反射时间与地震波传播速度的换算就可以将反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掘进面的距离确定下来，同时还可以将隧道中存在的岩性变化带的位置方便的探测出来。现场探测系统布置图见图2。

图1 探测掌子面示意图

图2 探测系统布置示意图

采集的TSP数据，通过TSPwin软件进行处理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果。

在成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。解释中，遵循以下准则:

1)正反射震幅表明硬岩层，负反射震幅表明软岩层。

2)若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。

3)Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于流体的存在而引起。

4)若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

2.1.2 TSP探测成果

用TSPwin软件对接收到的地震波信号进行处理，得到掌子面前方岩体波速、界面及岩体物性参数等成果。并附有纵横波偏移、反射界面图和岩石物理力学参数曲线图等。

结合地质分析和地质雷达探测结果，本次TSP预报成果详细解释如表1所示。

表1 TSP预报成果详细解释

2.2 地质雷达法超前地质预报

2.2.1 地质雷达超前预报原理

地质雷达通过发射天线将高频电磁波送入物体内部，电磁波在传播过程中遇到介电常数不同的层面发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，对所采集的数据进行相应的处理后，可根据反射波的旅行时间、幅度、相位和频率等，判断地下目标体的空间位置和形态。

2.2.2 地质雷达测线布置

本次探测在掌子面下端布置了一条测线，测线长度为10 m，如图3所示。地质雷达天线频率为80 MHz。

图3 地质雷达测线布置图

2.2.3 本次地质雷达探测成果

本次探测的地质雷达结果如图4所示，通过分析雷达图像处理结果，推断的探测结果如下:

1)在掌子面前方0 m～5 m范围内(K0+997～K0+992)，围岩质量与现有掌子面揭露情况较一致，围岩较完整，无明显水信号。

2)在掌子面前方5 m～20 m范围内(K0+992～K0+977)，雷达波信号严重衰减，在掌子面前方5 m～10 m范围内，存在雷达波强反射区域，在图4中已标出，推断该区域内围岩裂隙较发育，可能出现滴、渗水现象。

图4 地质雷达探测结果

2.3 建议

根据TSP探测成果推断，掌子面前方K0+992～K0+988，K0+966～K0+960和K0+905～K0+902范围内裂隙和层面较发育，局部存在滴水或渗水现象。由于现场探测时接收孔深度不够且部分炮孔封堵不够好，导致探测结果受到较大影响。建议加强监控量测和掌子面出水状态观察。再结合已有地质资料、开挖揭露地质情况和地质雷达探测结果分析，在掌子面前方0 m～20 m范围内围岩较完整，局部可能存在裂隙和滴、渗水现象。建议加强施工监控量测和掌子面围岩状态观察，若出现异常情况，建议加强施工安全和防护措施。

3 结语

随着我国经济的发展，在公路、铁路、水利等各领域，隧道工程将越来越多。六盘山隧道通过应用综合超前地质预报技术，在施工中有效地规避了许多地质风险，避免和减少了由于地质状况不明而给施工带来的严重损失，降低了施工风险，保证了人员与仪器安全，实现了安全生产。实践证明综合超前地质预报，尽管存在对施工有一定的干扰、工序复杂等情况，但对隧道地质灾害有较好的预报效果，起到了为隧道施工保驾护航的作用。

［1］ 刘志刚，赵 勇.隧道隧洞施工地质技术［M］.北京:中国铁路出版社，2001.

［2］ 李诚明.超前地质预报在圆梁山隧道施工中的应用［J］.山西建筑，2009，35(15):297-298.

［3］ 王连成，王应富，蒋树屏，等.地质雷达技术在公路隧道工程中的应用［J］.公路隧道，2005(2):32-36.

［4］ 赵永贵.国内外隧道超前预报技术评析与推介［J］.地球物理学进展，2007(8):1344-1352.