超前地质预报在隧道围岩动态分级预测中的应用

荣 耀，孙 斌，孙 洋

(1.江西省交通科学研究院，江西 南昌 330052；2.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)



超前地质预报在隧道围岩动态分级预测中的应用

荣 耀1，孙 斌2，孙 洋1

(1.江西省交通科学研究院，江西 南昌 330052；2.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

隧道的围岩等级直接影响到施工的开挖方法、支护结构的确定以及隧道的施工安全等诸多方面。在目前的隧道工程中，准确地预测前方围岩的等级仍然是一个重点和难点。以长桥隧道工程为实例，先后采用TGP探测法、SIR-20地质雷达探测法、掌子面编录法3种超前地质预报方法，由远到近，由粗到细地对隧道围岩的等级进行动态预测。实际开挖结果表明：该动态预测方法具有较高的准确性，可以有效地指导隧道安全施工。

隧道工程；超前地质预报；公路隧道；围岩动态分级

一方面，在隧道工程中，通过对工程地质状况进行客观评价，预测隧道围岩分级，是判断隧道围岩稳定性，合理拟定支护参数，正确选用施工方法及工具，预估施工造价的重要依据；另一方面，由于工程地质条件复杂多变，现有的地质勘察技术往往不能准确地预测掌子面前方的围岩等级，导致施工浪费或工程事故时有发生[1]。笔者以长桥隧道为依托工程，以公路隧道BQ分级法为基础，以超前地质预报为优化手段由粗到细地对隧道围岩进行动态分级预测，取得了良好的效果，为指导隧道安全施工提供了依据。

1 隧道围岩动态分析方法

1.1 隧道围岩动态分级预测方法

在隧道施工过程中首先使用TGP探测法对掌子面前方150 m左右的软弱结构面产状、地下水分布及含量、应力分布等情况做出粗略预测。在此基础上通过SIR-20地质雷达探测进行细化分析。最后，利用掌子面编录法获取实际围岩参数进行修正。以上3步所得结果可作为BQ分级法的参考依据之一，建立动态分级预测体系。对隧道围岩进行详细分级，更加合理地指导支护参数及施工方法的选择，保证隧道施工安全顺利地进行。

1.2 隧道围岩动态分级预测方法的研究背景和意义

受勘察方法和技术的限制，目前勘察设计阶段的围岩分级并不能很好地满足工程的需求，导致预测的围岩分级与实际围岩等级有较大的差异。对工程的主要影响是：① 当预测分级比实际围岩等级低时，实际围岩质量偏高，按预测等级进行支护施工，造成不必要的浪费并拖缓施工进度；② 当预测分级比实际围岩等级高时，实际围岩质量偏弱，按预测等级进行支护施工，支护强度不能达到实际需求，形成安全隐患，可能造成人员伤亡和财产损失，影响施工进度。建立隧道围岩动态分级预测体系，可以准确地预测掌子面前方隧道围岩等级，为支护参数和施工方法的选择提供可靠依据，保障隧道施工顺利进行[2]。

1.3 公路隧道BQ分级法

BQ分级法是1990年国家标准《工程岩体分级标准》中提出的二级分级法。首先以岩体的基本质量指标BQ为依据对岩体进行初步分级，然后根据不同因素的影响对BQ值进行修正[3]，最后得到详细的围岩分级。岩体的基本质量指标BQ值由岩石饱和单轴抗压强度RC和岩石完整性系数KV决定，具体公式为式(1)：

BQ=90+3RC+250KV

(1)

式中：岩石饱和单轴抗压强度RC可通过试验确定；岩石完整性系数KV则可根据岩体的纵波波速vmp和岩块的纵波波速vrp来确定：

(2)

然后，应用式(3)对BQ值进行修正：

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

(3)

式中：[BQ] 为围岩基本质量指标修正值；K1为地下水影响修正系数；K2为软弱结构面产状影响修正系数；K3为初始应力状态影响修正系数。K1、K2、K3的确定值参考表1～表3；文中地下水分布、软弱结构面和初始应力状态信息通过掌子面编录法、地质雷达探测法和TGP探测法收集。

表1 地下水影响修正系数Table 1 Groundwater influencing correction coefficient

表2 软弱结构面产状影响修正系数Table 2 Weak structural plane influencing correction coefficient

表3 初始应力状态影响修正系数Table 3 Initial stress state influencing correction coefficient

最后，根据得到修正后的[BQ] 值，根据表4划分围岩等级。

表4 围岩基本质量分级Table 4 Basic quality classification of surrounding rock

1.4 TGP探测法

TGP探测法基于地震波反射原理，在隧洞内人工制造一系列规则排列的轻微震源，震源产生的地震波信号沿隧道轴线以球面波的形式传播，遇到地层界面、节理面、不良地质界面时，一部分信号地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射信号由地震检波器接收形成地震记录，通过计算机处理后，可得到各种围岩构造界面与隧道轴线所呈现的角度、与掌子面距离等信息，预测前方围岩的物理力学参数，判断掌子面前方150 m左右的围岩情况[4]。

1.5 地质雷达探测法

地质雷达的基本原理是向地下或掌子面前方发射高频电磁波脉冲，电磁波在地下介质传播的过程中，遇到与周围岩土体存在电性差异的地下目标体(如空洞、断层、破碎带)时，便会发生反射，反射回的电磁波通过接收天线接收，对接收到的信号波形、强度、双程走时等参数进行处理和分析，推断地下或掌子面前方30 m左右的围岩情况[5]，其工作原理如图1。

图1 地质雷达工作基本原理Fig. 1 Basic principle of geological radar

1.6 掌子面编录预测法

掌子面编录预测法又称地质素描预测法，具体还包括岩层层位预测法和地质体延伸预测法两种工程地质方法。通过洞内地质编录和地质调查并进行资料分析，了解隧道所处岩层的地质年代和岩层层位分布，参考地质学相关理论及经验公式，借助计算机模拟等方法，推断掌子面前方工程地质情况，预测预报不良地质体在掌子面前方延伸和消失的位置，对隧道掌子面前方的岩体情况做出较准确的预报，为围岩分级和后续施工工艺提供科学依据[6]，掌子面编录预测法流程如图2。

图2 掌子面编录预测法流程Fig. 2 The process of geological logging prediction method

2 工程应用实例

2.1 长桥隧道工程概况

长桥隧道位于江西省抚州市广昌县境内，是一座上下行分离的四车道高速公路中隧道，起讫里程桩号为：左洞ZK14+520～ZK15+515，长995 m，右洞YK14+550～YK15+470，长920 m，左右洞相距约25 m，隧道洞轴线为东西走向，前期的地质勘探资料表明该区域多为中风化花岗岩，隧道设计路面标高(黄海高程系统)左洞为275.837(隧道进口)～252.595(隧道出口)m，右洞为275.544(隧道进口)～253.72(隧道出口)m，隧道左右均线位于R=2 500的曲线内。左右隧道纵断面线型均为单向坡：-2.5%。

2.2 超前地质预报在长桥隧道围岩分级预测中的应用

2.2.1 TGP探测法

在长桥隧道施工过程中，采用TGP探测法对掌子面YK14+780进行超前地质预报，通过现场试验和处理后的图谱数据进行分析，判断掌子面前方120 m范围内的围岩情况。

图3 TGP探测图谱Fig. 3 TGP detection spectrum

对TGP探测图谱(图3)的解释：由反射界面的俯视图和侧视图可见，在YK14+780～YK14+730段，反射界面较多，说明该段的围岩结构破碎，岩层变化较为频繁，岩层中节理的倾角位置多而散乱，表现为该段的图谱中，方形黑点的不规则分布，进一步体现出了该段围岩结构较为破碎且不良地质体并不连续的特点；在YK14+730～YK14+660段，反射界面较前一段大为减少，围岩的完整性得到稍许提高，但比速度表明，前方围岩的质量并没有大幅改善。

结合TGP探测所得图谱、工程现场实况和前期地质勘察资料，预测所探区域内各段围岩岩体的情况是，分段结论见表5：

1) YK14+780～ YK14+759，围岩主要为变余砂岩，中风化，纵波振幅较小，绕射偏移明显，推测该范围内岩体为中风化，局部节理、裂隙较发育，围岩局部较破碎，结合程度一般，围岩整体稳定性较差，判断围岩等级为Ⅳ级。

2) YK14+759～ YK14+710，变余砂岩为主，中风化～强风化，局部存在小型裂隙，有泥质或地下水充填；YK14+759～ YK14+754易失稳，节理裂隙发育，自稳能力差，判断围岩等级为Ⅴ级。

3) YK14+710～ YK14+660，强风化变余砂岩为主，节理、裂隙发育，围岩较破碎～破碎，局部岩体结合程度差，围岩整体稳定性差，判断围岩等级Ⅳ级偏差，部分里程段为Ⅴ级。

表5 TGP探测法围岩分级预测结论Table 5 Prediction results of surrounding rock classified by TGP detection

2.2.2 地质雷达探测法

在隧道开挖过程中，使用SIR-20型地质雷达进行超前地质预报，此次预报探测里程段为YK14+780～YK14+750，掌子面桩号是YK14+780，经过数据处理后的地质雷达图谱如图4。

图4 YK14+780～YK14+750段地质雷达图像Fig. 4 Geological radar image of YK14+780～YK14+750 section

在本次探测的30 m区域内，有3处明显的雷达反射异常信号，其中，距离掌子面0～5 m范围是因爆破造成的围岩松动，5～15 m范围内反射较为平稳，说明岩层较为均一，岩石性质与掌子面相差不大，判定围岩等级Ⅳ级；掌子面前方15～21 m，即YK14+765～YK14+759段，反射波较紊乱，同相轴连续性较差，推断该范围内节理、裂隙等结构面发育，主要不良地质体为破碎带，稳定性差，预计围岩为Ⅴ级；YK14+755～14+750处存在小范围反射异常，考虑为岩层变化界面或小型裂隙带，分段结论见表6。

2.2.3 掌子面编录法

2015年11月19日，隧道掘进至掌子面YK14+780处(图5)，通过现场观察，掌子面揭露围岩为灰色中～强风化变余砂岩，变余砂状结构，掌子面表层凹凸不平略潮湿，中厚层状构造，片理清晰，发育一组节理：280°∠53°，节理间距30～80 cm 。整体而言，围岩破碎，节理裂隙发育，岩体自稳能力差，局部有掉块现象；根据现场对掌子面的观察情况，结合该里程段隧道围岩设计级别和先前开挖的围岩情况，初步预测YK14+780 ～YK14+760处为Ⅳ～Ⅴ级围岩。

表6 YK14+780～YK14+750段地质雷达预报结论Table 6 Geological radar forecast conclusion of YK14+780～YK14+750 section

图5 掌子面YK14+780现场照片Fig. 5 Tunnel face photo of YK14+780

2.3 BQ分级法对围岩的定性定量分级

2.3.1 相关岩石力学参数的确定

岩石的单轴抗压强RC为35 MPa，岩体的纵波波速vmp=2 650 m/s，岩块的纵波波速vrp=3 550 m/s，则由公式KV=(vmp/vrp)2，计算得出岩体完整性系数KV=0.55。

2.3.2 围岩定性分析结果

1) 掌子面整体较为潮湿，局部有点滴状出水。

2) 岩石的坚硬程度：敲击声较为沉闷，几乎无回弹，结合试验所得岩石单轴抗压强度RC是35 MPa，总体来说岩质较软。

3) 岩石完整程度，岩体完整性系数KV=0.55，发育一组节理：280°∠53°，节理间距30～80 cm，节理裂隙发育，围岩自稳能力较差，局部有掉块现象发生。综合考虑以上因素，掌子面附近围岩为Ⅳ级偏差。

2.3.3 围岩定量分析结果

1) 岩石单轴抗压强度RC是35 MPa，岩体完整性系数KV=0.55，根据岩体基本质量指标计算公式BQ=90+3RC+250KV，得出岩体基本质量指标BQ=332.5。

2) 考虑到掌子面潮湿，局部有点滴状出水，根据表1，取地下水影响修正系数K1=0.25；软弱结构面走向与洞轴线夹角为80°，软弱结构面倾角为53°，根据表2，取软弱结构面产状修正系数K2=0.3；根据表2，取初始应力状态修正系数K3=0.5，最后，由式(3)计算修正后的岩体基本质量指标值[BQ]=227.5

3) 根据相关规范和[BQ] 值，判定隧道围岩等级为Ⅴ级。

2.4 围岩分级预测和预测结果及其实际意义

2.4.1 几种围岩分级预测方法预测结果

以长桥隧道YK14+780段为例，分别采用地质雷达探测法、掌子面编录法和TGP探测法对隧道围岩等级进行了预测，结果如表7：

表7 不同围岩分级预测方法预测结果Table 7 Prediction results of different prediction methods for the classification of surrounding rock

以长桥隧道YK14+780段的围岩分级预测为例，简要分析各种探测方法所得的结果：

1) 利用TGP探测法，初步探明了掌子面前方120 m左右范围内的地质概况。根据所得频谱及合成图像分析可知，该段内岩体较破碎～破碎，节理裂隙带发育，结合前期的地质勘察资料和现场实际情况，判定YK14+780 ～YK14+660段围岩等级为Ⅳ级到Ⅴ级。

2) 根据地质资料和TGP的探测结果，采用地质雷达对YK14+780～ YK14+750段做进一步探测。结果显示在YK14+765～ YK14+760段，出现低频强反射波，推断该地区的裂隙带较为发育，含水或含泥的可能性大。对TGP探测所得结果进行优化和修正，判断该段围岩等级为Ⅴ级。

3) 采用掌子面编录预测法，现场详细观察掌子面岩体特征和物理测量，获取直接的岩体力学参数。根据相关设计规范和BQ分级法，判定YK14+780～ YK14+760段围岩等级为Ⅳ级到Ⅴ级(掌子面附近为Ⅳ级)。

开挖后的实际围岩情况与预报结论十分相近。由此可见，使用TGP探测法、地质雷达探测法和掌子面编录法对隧道围岩进行动态分级预测，取长补短，综合分析，及时修正，可以较准确地预测隧道围岩等级，推动了信息化施工的进程[7]，并为支护参数的选择和施工方法的确定提供科学依据，从而保障隧道安全施工。

2.4.2 围岩动态分级预测的实际意义

在隧道工程中，对不同等级的围岩应采用的施工工法和支护形式有很大差别，所需的工期和经济成本也有很大差异。在长桥隧道围岩分级预测中，以总长10 m的YK14+760～ YK14+750段为例做简要总结。在经济成本的估算中，只考虑人工及耗材费用，材料由施工方自行采购，对比情况见表8。

表8 设计和实际围岩分级情况施工对比Table 8 Construction comparison of the designed and the actual surrounding rock classification

对V2级围岩：

超前小导管：20元/m×4 m×40根=3 200元

φ6钢筋网：25元/m2×(3.14×6×10)m2=4 710元

φ22砂浆锚杆：4 m×10×3.14×6÷1.44×2.98 kg/m×5.68元/kg=8 858元

防水卷材：30元/m2×(3.14×6+0.24)×10.24=5 861元

仰拱：280元/m3×0.5×12×10=16 800元

人工费：8×7天×200元/天=8 400元

总计47 829元

对Ⅳ1级围岩：

φ6钢筋网：20元/m2×(3.14×6×10)m2=3 768元

φ22砂浆锚杆：3 m×10×3.14×6÷1.44×2.98 kg/m×5.68元/kg=6 643元

防水卷材：30元/m2×(3.14×6+0.16)×10.16=5 791元

人工费：8×3天×150元/天=3 600元

总计19 802元

以上成本计算并不完全，若考虑全部直接工程、间接费、利润和税金，两者差距将会更大。这个简单的对比，可以证明准确的围岩分级预测可以在保证施工质量的情况下，及时变更支护形式，调整施工工法，缩短施工工期，降低施工成本，从而更好地指导隧道施工。

3 结 语

一方面，笔者对隧道围岩动态分级方法进行了简要介绍，并应用于长桥隧道进行了对比分析，验证了隧道围岩动态分级方法的准确性。讨论了隧道围岩动态分级方法与常规方法预测结果对工程的影响。结果表明隧道围岩动态分级方法确有其优势和必要性；另一方面，在实际工作中我们发现：采用综合预报分析方法进行超前预报时，有时不同方法所得结论会互相矛盾，除去不同方法的适用条件和敏感程度的不同外，另一个很重要的原因是不同物探方法所得信息之间较孤立，只对各自所采集信息进行了解释，这就导致每一种方法固有的多解性问题并没有得到实际改善，最终导致综合预报体系变成了各种“假异常”的叠加。李术才等[8]认为：多元地球物理信息的联合反演可以实现不同物探方法所得数据的彼此约束，是一种有效抑制多解性的途径，从而可以较为理想地解决上述问题。由此可见，超前地质预报在指导施工方面虽取得了一定成效，但对于实际应用中遇到的问题，还需结合更多的实际工作对已有理论进行更加详细地分析和优化，完善围岩动态分级体系，以便为隧道的安全施工提供更全面，更科学的理论依据。

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(责任编辑：朱汉容)

Application of Advanced Geological Prediction in Dynamic Classification Prediction for Tunnel Surrounding Rock

RONG Yao1，SUN Bin2，SUN Yang1

(1.Jiangxi Transportation Institute，Nanchang 330052，Jiangxi，P.R.China)(2.School of River & Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

The classification of tunnel surrounding rock has a direct impact on the determination of excavation method and the kind of the supporting structure as well as the tunnel’s construction safety and many other aspects.How to accurately predict the surrounding rock’s classification is still an emphasis and difficulty in current tunnel engineering.Taking Changqiao tunnel as an example，three advanced geological prediction methods were applied successively，that is TGP detection，SIR-20 geological radar detection and geological logging method.Therefore，a dynamic prediction of surrounding rock’s classification was carried out from far to near，meanwhile from coarse to fine.Actual excavation results show that the proposed dynamic prediction method has high accuracy，which provides an effective guidance for the safety of tunnel construction.

tunnel engineering; advanced geological prediction; highway tunnel; dynamic classification of surrounding rock

2016-04-20；

2016-07-19

江西省交通科技项目(2015C0016；2016H0023)

荣 耀(1979—)，男，江西萍乡人，教授级高级工程师，主要研究方向为隧道工程。E-mail：kaian2010@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.03

U451

A

1674-0696(2017)06-018-06