隧道综合超前地质预报技术应用研究

熊春发，任少博，王淑英，姜洪亮

(1.广西交通科学研究院，广西　南宁　530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西　南宁　530007)



隧道综合超前地质预报技术应用研究

熊春发1，2，任少博1，2，王淑英1，2，姜洪亮1，2

(1.广西交通科学研究院，广西南宁530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁530007)

摘要：在不良地质地区的隧道施工过程中，涌水、塌方等地质灾害风险较高，给施工带来了重大安全隐患。目前地质灾害的物探方法各有其优缺点，为了提高预报的准确性，使用多种方法开展综合超前地质预报十分必要。文章以钦崇路四方山隧道为例，将弹性波反射法和地质雷达法相结合，对隧道开挖掌子面前方的破碎带、节理裂隙、富水段等不良地质进行了有效的综合预报，所采用的预报手段和思路可供类似工程借鉴。

关键词：隧道；地质灾害；超前预报；弹性波反射法；地质雷达法；综合应用

0引言

随着西部大开发进程的加快，近年来在地形、地貌及地质条件复杂地区修

建的长大隧道越来越多，修建技术越来越复杂，隧道修建的同时也伴随着塌方、涌水涌泥等地质灾害的风险[1，2]，面对这些地质灾害，如果没有良好的预警预报措施，将会给施工带来重大安全隐患，造成工程投资增加，工期延长，甚至会造成人员伤亡。

为了保证隧道施工安全，减轻突水突泥、塌方冒顶等灾害损失，在施工中进行地质超前预报工作，对隧道开挖掌子面前方不良地质体进行探测，是保证工程质量和施工安全的重要环节和措施。目前常用的地质预报方法分为两大类：地质分析法、地球物理法(包括弹性波反射法、地质雷达法、瞬变电磁法、陆地声纳法、红外探测法等)[3-5]，各种物探方法各有其优缺点。综合超前地质预报方法，就是在先期地质分析并对不同地段划分风险等级的基础上，根据隧道洞内勘察与洞外勘察相结合，地质分析与物探分析相结合，长距离预报与短距离预报相结合的原则，合理地选用不同物探手段对工作面前方的地质情况进行预报的方法。开展综合超前地质预报，可提高预报的准确性，具有重要的理论意义和工程实用价值。

本文以钦崇路四方山隧道为例，将弹性波反射法和地质雷达法相结合，对隧道开挖面前方的塌方、涌水等地质灾害进行综合预报，所采用的预报方法和思路可供类似工程借鉴。

1隧道地质灾害综合预报工程实例

1.1工程概况

钦崇路四方山隧道穿越低山地貌，隧道穿越地段最高点高程约为690 m，低点位于隧道出口坡脚一带，高程约为290 m，相对高差400 m。隧道进口处坡面较为开阔，自然斜坡坡度25°～35°。隧道出口端地势较平缓，自然斜坡坡度20°～26°，隧道进出口轴线与坡面大致垂直，山体植被覆盖茂密。

隧址区下伏主要有泥岩、砂岩和灰岩，泥岩与砂岩多呈互层或夹层分布，灰岩岩质较硬，局部有溶隙发育并夹有黑色煤线。

隧道区内地下水主要为赋存于第四系坡残积层中的孔隙水、基岩裂隙水和灰岩岩溶水，隧址区地形较陡，横向坡沟发育，大气降水迅速径流排泄，下渗量较小。地下水的主要来源为大气降水补给与区外域流补给，水量不大。地表水主要为地表径流和低洼积水，地表径流受降水影响很大。

鉴于隧址区复杂的地质情况，根据长、短距离相结合的预报原则，采用弹性波反射法和地质雷达法对该隧道进行了岩体节理、裂隙、富水段的超前地质预报。以弹性波反射法为主，局部地段用地质雷达法进行重点补测。下文以隧道右洞YK77+630～YK77+780段的预报情况为例进行说明。

1.2弹性波反射法预报

弹性波反射法超前预报是利用人工激发的地震波在隧道岩体传播过程中，在声阻抗界面会产生反射波，利用仪器设备采集地震波传播信息并进行数据处理后，结合已有地质资料，实现对隧道开挖面前方地质条件的推断和预报。检测结果为纵波(P波)、两个方向的横波(SH波、SV波)的时间剖面、深度偏移剖面、反射层信息、岩石物性参数等，资料解读时以纵波信息为主对岩层进行划分，结合横波信息反映的泊松比、密度、动态杨氏模量等参数对地质现象进行解释，解释遵循以下准则：(1)正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；(2)若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水；(3)VP/VS增加或泊松比突然增大，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。

本文弹性波反射法预报采用北京市水电物探研究所的TGP206型隧道地质超前预报系统，主要探测隧道掌子面前方150 m范围内岩体含水、空洞和破碎情况。

从隧道纵横波的偏移图(见图1～3)和纵横波反射界面、反射速度的分布曲线(图4、图5)，结合地质资料，推断出的地质结果见表1，可知YK77+630～YK77+780段围岩节理裂隙较发育，岩质较软，部分区段含水量较大。施工中应防止拱顶因节理裂隙存在而造成的塌方，加强支护，并注意降雨对隧道施工的影响。

表1　隧道右洞YK77+630～YK77+780段

图1　纵波(P波)偏移成果图

图2　横波(SH波)偏移成果图

图3　横波(SV波)偏移成果图

图4　纵波、横波反射界面、反射速度分布曲线图(同侧检测结果。黑色线条为纵波图像，灰色线条为横波图像)

图5　纵横波反射界面、反射速度分布曲线图(对侧检测结果)

1.3地质雷达法预报

地质雷达是利用超高频脉冲电磁波为震源，以自激自收的形式，采用连续或间断的方式探测地质介质分布的一种地球物理勘探方法，具有快速、无损、实时显示等特点。

本文地质雷达法预报采用SIR-3000型探地雷达系统，包括仪器主机和100 MHz加强型天线两部分。探测时在隧道掌子面布置2条测线，用来探测隧道掌子面前方30 m范围内岩体的含水、空洞和破碎情况。

隧道右洞YK77+690～YK77+720、YK77+756～YK77+786段地质雷达测试结果见下页图6、图7，预报结果见下页表2，结果表明：该区段岩体破碎，节理裂隙发育，围岩以强风化泥灰岩为主，岩质较软。施工中易出现掉块、塌方现象，建议加强超前支护。

表2　隧道右洞YK77+690～YK77+720、

图6　隧道掌子面YK77+690地质雷达探测图

图7　隧道掌子面YK77+756地质雷达探测图

1.4两种方法预报结果对比

弹性波反射法预报可以探测地层特征、地层界线、地质构造、节理裂隙的情况，横波反射波还可用来探测地质体含水情况，地质雷达可以探测断层破碎带、软弱夹层、含水地质体的情况。由表3可以看出，两者对同一区段预报结果基本吻合，而地质雷达法在短距离内预报结果更为细致准确。因此一般先用弹性波反射法作长距离粗略预报，再用地质雷达法对局部重点区段作短距离细致预报。

表3　弹性波反射法和地质雷达法预报结果对比表

2结语

本文利用弹性波反射法和地质雷达法对隧道开挖面前方的地质灾害进行预报，主要得出以下结论：

(1)弹性波反射法用于长距离探测，可以探测隧道地层特征、地层界线、地质构造、岩体节理裂隙情况，根据横波反射特性还可探测地质体含水情况；地质雷达法用于短距离探测，可以探测隧道断层破碎带、软弱夹层、地质体含水情况。

(2)根据长距离与短距离预报相结合的原则，将弹性波反射法和地质雷达法联合使用，可互为补充和验证，是探测隧道掌子面前方不良地质体以及岩体裂隙水的有效手段，预报结果更为全面准确，可有效预报涌水、塌方等隧道地质灾害。

参考文献

[1]王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘查，2004，5(1)：7-10.

[2]廖育民.地质灾害预报预警与应急指挥及综合防治实务全书[M].哈尔滨：哈尔滨地图出版社，2003.

[3]肖书安，吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程地球物理学报，2004，1(2)：159-165.

[4]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[5]刘志刚，刘秀峰.TSP在隧道隧洞超前预报中的应用与发展[J].岩石力学与工程学报，2003，22(8)：1399-1402.

Research on the Application of Comprehensive Tunnel Advance Geology Prediction Technology

XIONG Chun-fa1，2，REN Shao-bo1，2，WANG Shu-ying1，2，JIANG Hong-liang1，2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The tunnel construction in poor geological areas has high risk to gushing，landslides and other geological disasters，causing the major safety risk to the construction.The current geophysical methods of geological disasters have their own advantages and disadvantages respectively，thus，in order to improve the accuracy of forecasts，using various methods to carry out integrated geological prediction becomes necessary.Taking Sifang Mountain Tunnel of Qincong Road as the example，and combining the elastic wave reflection method and geological radar method，this article conducted the effective in-tegrated prediction on broken belts，joints and fissures，water-rich segments and other adverse geolo-gies in front of tunnel excavation working face，and the prediction means and ideas being used can provide the reference for similar projects.

Keywords：Tunnel；Geological disasters；Advanced prediction；Elastic wave reflection method；Ground penetrating radar method；Integrated application

收稿日期：2015-12-15

文章编号：1673-4874(2016)01-0036-05

中图分类号：U445.4

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.009

作者简介

熊春发(1982—)，博士，主要从事隧道监测及检测工作；

任少博(1985—)，硕士，主要从事公路路基路面、隧道岩土方面的研究工作；

王淑英(1964—)，教授级高工，主要从事道路材料检测方面的研究工作；

姜洪亮(1980—)，工程师，主要从事隧道检测监测方面的研究工作。