综合超前地质预报在富水断层中的应用

白建市

【摘 要】以三黎高速公路盘岭隧道为工程背景，以"地质、物探与钻探相结合"的预报原则，运用地质调绘、物探预报及超前钻探等综合手段，建立隧道施工期地质灾害综合超前地质预报技术体系，对断层区段隧道综合超前地质预报成果进行了解释与分析。对含水断层进行了准确预报，对类似工程具有一定的借鉴与指导意义。

【关键词】隧道；综合超前地质预报；富水断层；TSP；地质雷达

1、隧道超前地质预报方法概述

隧道超前地质预报方法按预报距离可分为长距离和短距离超前地质预报两类。长距离预报方法主要有工程地质调查法、断层参数预测法和TST等仪器探测法。短距离预报方法有掌子面编录预测法、地质雷达法等。

按照探测原理可分为直接法、间接法及其它方法。直接法有地质法和钻孔探测法。间接法亦称物探法， 主要有TST法 、水平声波剖面法、地质雷达法和红外探水法等。其它方法有超前导坑法、断层参数预测技术等。各种方法的原理及优缺点见表1。

2、隧道超前地质预报方法的选择和组合

隧道超前地质预报方法的选择，首先要根据前期勘察设计资料判定目标体的地质特征、物理特征和化学性质等，然后依据隧道周边地形地貌、地质构造情况、临近已开挖段揭露的地质情况，对预报方法进行选择和组合〔2〕。在优选方法时首要考虑的是地质体的物性差异和预报方法的现场适用性，其次再考虑各种方法的优化布设，但最好采用不同探测参数的方法进行组合，两个参数说明一个地质目标体的两个性质，通常断层破碎带波速低、电阻率低，进一步组合方法为TST地震法与瞬变脉冲电磁法，同样也可同时考虑几种方法进行组合，各种方法之间相互互补又相互验证，可以提高预报的精度并减少多解性〔3〕。

另外将其与地面地质调查法、地质界面地质投影技术、断层参数预测技术等综合运用，便可实现高精度、高水平的长期超前地质预报。例如将TST地震法与地面地质调查法或断层参数法相结合，其解释距离可达400～500m。当然也不可忽视其它的地质方法、化探方法，对方法的选择一定要结合具体的地质条件，不同参数性质的方法组合是非常重要的【4】。

3、应用实例

3.1隧道概况

盘岭隧道为分离式特长隧道，隧道区属于中低山地貌，地形起伏较大，山体不规则，洞身穿越山体，山坡植被茂密，沟谷水田发育，呈“V”字型沟谷，起伏变化较大。

ZK72+600～ZK71+560 段原设计情况：洞身穿越微风化凝灰质板岩，围岩级别为S-Ⅲa、埋深约为240m～270m。

隧道施工至左幅ZK72+230 处掌子面左侧股状出水（如图1所示），且水量有增大趋势。

3.2 预报方法

针对盘岭隧道出口左洞所揭露的渗水情况，采取了多种预报手段，主要包括：地质调绘（宏观和长距离预报）、TST（中长距离预报）、地质雷达（中短距离预报）、超前探孔（短距离预报）等。通过多种预报手段的相互结合，进一步对隧道出口左洞ZK72+230 掌子面前方地质情况做了预判。

3.2.1 地质调绘

3.2.1.1 概述

根据原设计文件，盘岭隧道于路线ZK72+230 处设计围岩级别为III 级。施工过程中，出口端左洞掌子面ZK72+230 左侧出现了股状涌水（见图1），且水量有增大趋势，于是对隧道段地表进行了补充调绘。

3.2.1.2 地表地质调绘情况

从地质调绘来看，ZK72+230 前方存在一断层，该断层于ZK72+230 桩号与隧道路线斜交（交角约35°），产状大致为320°∠65°，详细见图2及图3。从地表特征来看，该断层为正断层，上盘为出口侧山体（断层带冲沟靠进口侧山坡在地势上更为陡峭见图4）；从调绘情况来看，该断层破碎带在路线穿越处宽约20m，隧道处于断层破碎带的影响长度约30m；另外，根据地表汇水及泉水出露情况（见图5、6），可以推断该断层含水量较大，隧道穿越该断层时易发生涌突水情况。

3.2.1.3 小结

根据调绘，得出如下结论：

（1）上述正断层富水，且汇水面积大；雨季时，洞内的涌水量将会更大；

（2）ZK72+230 处断层破碎带在路线穿越处宽约20m，隧道受断层破碎带的影响长度约30m；

（3）ZK72+230 处断层为ZK71+880 处断层的次级断层，且与前方ZK71+880 处断层斜交，平面关系见图2 所示。

3.2.2 TST 超前地质预报

3.2.2.1 概述

采用TST 主要预报盘岭隧道YK72+230 前方100～200 米范围内的地质情况，探明隧道掌子面前方断层及影响带、软弱岩层的分布、节理裂隙发育带、涌突水、突泥情况等的位置、形式、规模及其对施工的影响程度，提出处理措施、建议。

3.2.2.2 数据采集

数据采集系统的布置如下：①检波器12个，布置在两侧壁内，每侧6个，间距4m，埋深0.5～2.0m；②爆炸震源6个，布置在两侧壁内，每侧3个，每侧第1个炮孔距最近检波器4.0m，其余2个间距24m，埋深1.8～2.0m，炸藥量450g。③成孔采用φ60风钻成孔，单发毫秒雷管，采用启爆器控制启爆。④采用炮泥耦合和封堵。详见图7。

3.2.2.3 TST 处理结果及分析

3.2.4 超前探孔

3.2.4.1 概述

由于隧道该段埋深大，进洞深，水岩温度差异性较小，红外探水受限，故采用超前钻孔探水的方法，以探明前方的赋水情况及破碎带的具体位置、规模。超前探孔主要探孔部位为ZK72+230 掌子面左拱腰和右拱腰，由于钻进局限，探测深度为12m范围内。

3.2.4.2 小结

通过对隧道右幅ZK72+230 左右拱腰超前探孔，得出如下结论：

（1）由于钻进限制，ZK72+230 左右拱腰最深钻进前方12m左右，观察发现，均有喷射状地下水外涌，故该段地下水丰富，水压较大，赋水情况基本与预报情况吻合；

（2）根据左幅ZK72+230 左侧钻进过程中存在卡钻情况，由此推断前方围岩破碎、夹泥（石），可能存在断层破碎带，与我方预报推断基本一致；

（3）根据ZK72+230 右侧超前钻孔，最深钻进前方约12m 未发现卡钻情况，地下水也相对较小，由此推测前方破碎带与隧道轴线斜交，先左后右出露，与我方预测走向大致相同。

3.3预报结论及建议

综合分析多种预报手段的成果，得出以下结论及建议：

（1）从地质调绘和超前探测成果来看，ZK72+230 处断层的破碎带在路线穿越处宽约20m，隧道受断层破碎带影响的纵向长度约30m，左洞断层破碎带里程分别为ZK72+230～ZK72+200；

（2）考虑到断层面的不规则性和断层带中存在相对较为完整的岩块的可能性，建议左洞在施工超前钻孔等过程中密切关注地下水和岩体破碎情况；

（3） ZK72+230 处断层为ZK71+880 处断层的次级断层，且与前方ZK71+880 处断层斜交（原设计文件的ZK71+730 处断层存在，但平面位置上应该于ZK71+880 附近与路线相交，该断层属正断层，且为富水断层），由此建议设计方对该情况进行复核，综合考虑两处断层的相互关系及影响，提出针对性性综合处治对策；

（4）根据出口端左洞断层情況，出口端右洞也会受此断层影响，加之右洞在相应段落原设计围岩级别为III 级，故建议施工方密切关注右洞地下水发育和岩体破碎情况，并且根据左洞处治情况适时调整右洞施工方案及支护措施。

在后继的掌子面开挖过程中，地质跟踪结果显示开挖过程中揭露地质情况与我方预报地质情况基本一致。

4、结论

通过对隧道地质超前预报方法的分类、对比和总结，并结合工程实例进行分析研究，得出结论如下：

（1）隧道超前地质预报的方法各有优缺点和局限性， 利用单一预报方法进行隧道地质超前预报存在预报精度低，有多解性等问题。

（2）物探是对围岩地质及富水情况的一种预测手段，也是对钻探的一种超前，物探的解析可以进一步指导钻探布孔位置作相应的调整。但同时物探存在多解性，钻探是对物探判释的再确认，是对物探的结论的佐证。

（3）隧道地表的地形地貌、地质现象与洞内的地质情况存在一定的联系。地质调查法是中长期地质超前预报的一种手段，也是对前期勘察资料的复核和补充。尤其是对于地表埋深浅、纵断面距离长、地质构造复杂的隧道，进行隧道地表地质调查显得尤为重要。

（4）隧道地质超前预报方法有很多种，但目前在实际工程运用中采用的方法比较单一，基本上都纯粹依靠地质雷达，效果并不理想。只有取长补短， 综合分析， 根据实际情况确定应该采取的方法及其组合，才能取得良好效果。

参考文献

[1]张志龙，等. 公路隧道施工超前地质预报技术方法研究现状综述[J] . 公路交通科技， 2005，（ 9） ： 126-128.。

[ 2]毛正君等.中国地质灾害与防治学报. [ J].2007，（4），80-81.

[ 3]何小新， 等. 隧道掘进超前地质预报技术的比较与选择[ J] . 矿山机械， 2005， （ 8） ： 6-8.

[ 4]陈建峰. 隧道施工地质超前预报技术比较[ J] . 地下空间， 2003， （ 1） ： 5-8.