超前地质预报在水工隧道施工中研究和应用

刘殊慧

(齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

推广应用

超前地质预报在水工隧道施工中研究和应用

刘殊慧

(齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

在水工隧洞施工中，隧洞的地质条件包括围岩类型、地下水分布是影响隧洞顺利施工的重要条件，前期设计工作的不足很大程度上导致在实际施工中发生工程问题，比如塌方、涌水、突涌泥等地质灾害，制约工期的同时 对人员设备造成极大的安全危害。现目前国内工程地质勘探常采用超前地质预报技术，方法众多特点不一。文章结合工程实例，基于国内外较为先进应用广泛的几种超前预报技术的综合应用，最大程度上放映隧洞掌子面前方的地质情况，据实测结果和检测结果的分析对比研究更好的指导工程施工。

地质；超前预报；隧道；施工；技术

1 超前地质预报的必要性

有关水工隧洞的地质状况分析一般采用的方法：地面勘探、取样调查、钻孔测量和地球物理勘探。受制于当前国内地质勘探技术，加之工程地质的复杂性和水文地质的多变性，在设计阶段进行隧洞围岩类型和周围不良地质的分布状态是有极大难度的。而因为隧洞施工前方地质的未知(软弱夹层、断层破碎带、暗河、溶洞)，常常会导致现场施工的中断，影响施工工期，扩大工程投资，同时引发工程问题(塌方、涌水、突涌泥等)，严重的将会带来工程事故。

超前地质预报是在现有地质资料的基础上，利用先进的测量仪器，分析汇总出近似准确的预报施工前方围岩强度以及地质状况。由于地下洞室施工的客观条件决定，一定程度上很难做到地质预报的准确性和精确性。故采用先进科学的隧洞超前地质预报是十分必要的，对于隧洞掌子面前方的地质类型的准确掌握，包括通常的地质构造，隧洞前进方向的围岩类别和结构面分布情况。尤其是地下水分布状况、断层破碎带、溶洞的预报至关重要，对整个工程有非常重要的价值意义[1]。现目前，准确的超前地质预报一直都是国内外隧洞施工研究中的重点领域，因此在隧洞施工期做围岩超前地质预报是十分必要的。

2 国内超前地质预报技术的现状

目前在国内，隧洞超前地质预报方法还是比较传统的，归纳为：地质雷达法、取芯钻探法和冲击钻探法，预报距离一般在掌子面前方20-50m区间，预报时测量仪器安置在掌子面处，并留出空间布设仪器，对施工干扰大，施工进度直接受到影响。近些年，瑞士安伯格公司研发的TSP202、203系统在国内外众多大型水利工程的广泛应用，在实际中不断改良，效果突出，但和工程实测数据相比系统仍存在一定的不足。

现目前国内水工隧洞对于超前地质预报技术也有一定的掌握，但系统稳定性和技术成熟度还有待于进一步发展，现有技术很大程度上难以准确预报隧洞前方围岩状况、地下水分布状况等。经过国内多家科研院所和企业的深度合作与研究，现定义为综合超前地质预报技术，这种预报技术原理上是结合了世界上经应用广泛、技术论证结果明显的几种地质超前预报技术，如TSP203、HSP、CSAMT，结合起来一种综合预报技术。在工程实际施工中，据掌子面状况及对前方围岩类型的预判情况，结合工程经验针对性的选择一种或几种，做到相互论证又相互补充，这样能够保证最大限度反应超前预报的准确性，减小工程风险的同时能够更好地指导现场施工。

3 综合超前地质预报技术主要工作原理及应用

3.1 TSP203地质超前预报统

TSP203[2]地质超前预报系统原理上是地震反射法，特点具有高分辨率的多波多分量，一般采用微量炸药激发出的地震波为介质，在离隧洞掌子面不远处的边墙位置。当地震波在断层、软弱夹层等岩性变化时出现波阻抗差异界面，此时将一部分反射波信号反射回来，另一部分继续向前方介质传播。被反射的这部分信号被TSP203上的高敏感度检波器接收并作为数据存储起来。数据通过TSPwin软件的分析处理，然后进行解译，最终通过解译结果可准确预测隧洞掌子面前方地质体状况。

TSP203的应用特点：①超前地质预报距离适中，在70-260m范围区间预报较为准确，在钻爆法施工中适应性较高；②测量和数据处理耗时短，施工干扰小，耗费市场一般测量1-2h，数据处理时长2-5h；③仪器安置及探测不直接接触工作面，在隧洞施工中适应性强；④探测范围广泛，对于各种不良地质探测效果较好，如断层、节理发育地带、溶洞等。解译出的结果包括岩石强度、容重、泊松比、波速、弹性模量等参数。

3.2 HSP声波反射法

HSP声波反射法是基于水平声波剖面法的原理上，并对之改良的地质超前预报技术成果，其工作原理是声波在两种不同固体介质中传播时，声波会产生反射和折射，进行波形之间的转换。纵波在介质中传播时将产生两个反射波和两个折射波。当声波传播至不良地质处，会产生由高阻抗介质到低阻抗介质的变化情况，据这种特性阻抗比值可解译出声压与声强的透射系数。故通过解译反射波信号，可以对掌子面前方的地质进行超前预报。

HSP的应用范围范畴属中距离预报，其特点：①一般探测距离在40-90m，平均距离为60m，但据现场工作面实际情况会作出部分修正调整；②数据采集和解译耗时短，对施工形成一定干扰，平均占用施工时间3h左右；③声波的产生无需爆破，节省资源；④经过与实际对比和论证HSP的预报准确率较高，保持在70%。

3.3 CSAMT探测原理

CSAMT探测原理是基于电磁波传播和麦克斯韦方程组，推导出的水平电偶极源的电磁场公式，现目前此项技术已较为成熟，制造出的的测量仪器系统首先在野外工作进行测试并获得了工程经验，但普遍在国外得到应用，近些年在国内的一些工程也得到应用。

CSAMT应用特点：①抗干扰能力强，因其使用人工场源，信号强度可人为控制；②可减少外来因素如地形地貌的干扰，测量参数为电磁场之比，得出卡尼亚电阻率；③发射1次电磁场可完成若干点的电磁测深，改变频率所测深度不同，有效提高效率并降低工作强度；④探测范围大，距离一般在1.5km左右；⑤横向分辨率高，对于不良地质反应明显；⑥探测与数据处理时间长，结果分析花费大量时间。

4 工程实例

4.1 工程概况

该工程位于青海省境内，是省内跨流域引水工程的引水隧洞，全长5.62km，该隧洞断面形式为城门洞型，工程设计断面尺寸为7.6m×6.8m，衬砌厚度40cm[3]，施工单位为水电四局。隧洞断面设计形式如图1所示。

图1 隧洞断面设计图

4.2 地质情况和探测目的

本隧洞的地质构造主要形迹是燕山运动形式的地质格局，土层岩性以断层和褶皱居多。依据前期的地质勘察、物探法和钻探法的设计勘察发现，该地形地貌的底层结构较为复杂，局部的岩体裂隙发育，岩石岩性较为单一包括花岗岩、闪长岩，片麻岩等。施工前期，结合隧洞现场发现围岩类型近似于工程地质报告所述，围岩分布松散破碎，断层破碎带大量存在，隧洞局部区域有明显渗水，且渗水量随季节变化突出，夏天出水量明显增加。

岩土物理力学指标[4]如表1所示。

表1 隧洞岩土物理力学指标

4.3 TSP地质超前预报结果

文章以隧洞左侧边墙的超前地质预报为例进行说明，首先同步将信号接收器孔和炮孔设置在掌子面50m处，炮点单排设15个，炮孔深和炮点间距均为1.5m，然后先行放置接收器套管，并将把接收器安设在套管内，信号接收线两端分别连接接收器和记录单元。完成上述工作后，开启记录单元并设置参数(分X-Y-Z三向接收)，制作炸药并安设于指定位置，封堵炮孔，引爆炸药后进行数据采集[5]。TSP工作原理见图2。

对TSP深度偏移剖面图及2D成果图进行翻译，成果见图3和图4,并将计算结果和实际工程围岩情况对比分析见表2。

图2 TSP探测原理图

图3 波深度偏移位移

图4 R2传感器2D成果图

内容实际情况TSP-203探测结果里程宽度里程宽度原设计方案F4DK176+107-+1103DK176+110-+1082新发现断层F新1DK176+022-+0275DK176+022-+0275F新2DK175+840-+8355DK175+839-+8345F新5DK175+835-+82015DK175+831-+82011f5DK175+813-+8094DK175+813-+8094F新6DK175+798-+78810DK175+799-+78910F新7DK175+785-+7769DK175+785-+7778F新8DK175+674-+6695DK175+675-+6705f6DK175+650-+64610DK175+650-+6455地层边界DK175+814-+648166DK175+817-+648169富水砂岩砂1DK175+821-+8192DK175+822-+8193砂2DK175+811-+8092DK175+811-+8092砂3DK175+802-+8011DK175+802-+8011

对比某水电站下游导流洞的TSP203探测结果与工程实测，对TSP203的预报准确进行进一步说明。

表3 某水电站下游导流洞TSP-203探测结果与实际对比

从上述成果对比分析得出，TSP超前预报技术与工程实测数据基本吻合，对掌子面前方的围岩地质状况均能较好反应，同时通过对比发现以下结论：该技术的适用面范围，对于任何围岩类型的判断基本准确，无论是软岩或是硬岩；预报距离长，考虑外界的干扰影响基本能达到准确预报工作面100-350m；施工干扰小，预报时只需要在接受信号阶段暂停施工；测量耗时小，测量中耗时≤1h，测量前后的准备和系统清除耗时≤4h，测量与工程施工的同步性较好；减少工程造价，据不完全统计分析，TSP法在水工隧洞中的成功应用将节省工程投资15%左右；成果汇总与提交及时，一般在数据采集结束后的第2天即可提交正式资料。

不同力学性质的断层其围岩稳定性也不同，基于构造体系的机理，结合TSP的探测成果，较为准确的预报出断层走向，破碎带的围岩级别，预测塌方的可能性，有效的预防施工中地质条件不同带来的工程安全和经济问题，对工程施工具有很大的指导意义。

5 总 结

随着中国国民经济的快速发展，基础建设的逐步建设，在工程的各个领域如公路、铁路、水利等，大型地下洞室的设计与施工将广泛采用。综合性超前地质预报技术通过在水工隧道施工中的应用研究，能够有效的规避工程上的地质风险，同时避免了因前方工程地质状况不明造成的经济损失，很大程度上保障了施工的安全性、质量的稳定性和工程总体经济效益。综合超前地质预报技术的广泛成功应用可为国内众多地下洞室的在预报领域下的指导施工提供参考价值。

[1]宋先海.我国隧道地质超前预报技术述评[J].地球物理学展，2006,21(02):605-613.

[2]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，2007,22(04):1344-1352.

[3]李术才.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报，2014,33(06):1090-1113.

[4]陈建峰.隧洞施工地质超前预报技术比较[J].地下空间，2003,23(01)：5-8.

[5]丁恩保，凌荣华，马继平.隧洞地质预报方法探讨[J].工程地质学报，1995(01)：7.

ResearchandApplicationofGeologicalPredictioninHydraulicTunnelConstruction

LIUShu-hui

(QiqihaerUrbanWaterConservancyInvestigation,DesignandResearchInstitute,Qiqihaer161006,China)

The geological conditions of tunnels are composed of coffer rock type and groundwater distribution for the tunnel construction, also the important conditions of effecting smooth construction of the tunnels. Lack of previous design works will cause greatly the project problems in the construction site, as the geological disasters of collapse, surging, sudden boiling of sediment, limiting the construction period, meanwhile, endangering the safety of staff and equipment. At present, there are many ways for the geological prediction technology always to be adopted with various characters in domestic project geological investigation. In combination with the project cases, based on several advanced prediction technologies applied widely at home and abroad, the geological conditions ahead of the heading face is reflected to the most maximum extend in this paper, which may guide better the engineering construction according to comparison and analysis for the observed results and inspected results.

geology; prediction; tunnel; construction; technology

1007-7596(2017)07-0129-05

2017-06-26

刘殊慧(1965-)，女，山东肥城人，工程师，从事水利工程地质勘查工作。

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