浅谈综合超前地质预报在施工中的应用

武兰珍

（甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070）

水工隧洞的围岩地质条件具有复杂性和多变性，加之勘测手段的局限性，要在勘查设计阶段准确的判定围岩地质状态、特性，并准确的预测隧道施工中可能引发的地质灾害的位置、规模、性质十分困难。这些问题的解决，必须依靠隧道施工中展开的超前地质预报工作。目前在我国用于隧洞综合超前地质预报的单一方法主要有隧道地震超前预报系统TSP、水平声波剖面法(HSP)、陆地声纳法、探地雷达法、瞬变电磁法、超前钻孔法和超前平导法等几种[1]，每种方法都有各自的局限性，本文重在研究一种相对完善和易于推广的综合预报模式。

1 工程概况

广西桂中治旱马良隧洞单项工程位于来宾市兴宾区迁江镇，距柳州市130 km，距来宾市约60 km，隧洞设计引水流量为31.72 m3/s，输水线路总长7560 m。隧洞进口水面线高程102.99 m，底高程为99.01 m，出口处水面线高程101.17 m，底板高程为97.19 m，底坡为1/4200。按无压隧洞设计，城门洞型，底宽为5.3 m，高5.92 m。

2 地质概况

隧洞总体走向为南北向，所在山体为岩溶峰丛地貌,岩溶洼地和落水洞众多。整体地势西侧高、东侧低，山体地形较平缓,隧洞沿线山体自然坡度 15°～25°。

2.1 岩溶及地下河发育特征

隧洞所在地区碳酸盐岩类广泛存在,且深大节理裂隙和岩溶较为发育。地表岩溶形态以峰丛洼地、落水洞为主。根据工程地质测绘成果隧洞轴线两侧各500 m的范围内(计算面积约9 km2),上覆山体的落水洞及岩溶洼地数量超过60个。根据物探大地电磁法探测,隧洞轴线沿线岩溶发育高程0 m～170 m不等。根据地面地质测绘及物探成果,推测隧洞沿线共发育6条地下河。

2.2 水文地质条件

隧洞位于峰丛洼地边缘，地势西高东低，地下水位整体由西北经过隧洞流向东南侧，与隧洞大角度相交，隧洞洞身段位于地下水活动强烈变化带内。隧洞西侧山体雄厚,岩溶洼地众多，汇水面积较大，岩溶水丰富，枯水季节地下水位高于隧洞顶，施工时可能出现大量涌水和涌泥现象。

由于本隧洞位于山区向合山盆地过渡区域，碳酸盐岩类广泛存在，本区岩溶发育较好，落水洞及暗河众多，水文地质条件极其复杂。隧洞开挖过程中存在涌水或突泥的可能性大，危害性大，且岩溶发育随机性强，岩溶管道与地下暗河联通关系复杂，与隧洞交叉关系难以明确。为确保隧洞施工安全，施工时必须对隧洞全线进行连续超前地质预报。

3 现场综合地质预报方法

3.1 TSP法

地震波反射法超前预报是利用地震波在岩体传播过程中，在声阻抗界面会产生地震反射波，利用仪器设备采集隧道岩体中地震波传播的信息，通过相关处理系统进行数据处理，结合已有的地质资料综合分析，实现对隧道前方地质条件的推断，达到超前地质预报的目的，探测距离一般为100 m～150 m。隧洞G3+259～G3+109段采用TSP203型隧道超前地质预报系统进行检测。TSP预报地质构造偏移成像图及波速衰减处理成果图见图1。

根据成果图并结合地质情况综合分析分段预报推断结论如下：

G3+259～G3+222段,该段长度37 m，结合该段成果图及地质情况综合分析，通过分析纵横波对比速度及反射符号分布曲线图，纵波速度呈上升趋势，横波波速略有起伏，纵波主要反射界面水平夹角与垂直倾角分别为：94°与74°，横波主要反射界面水平夹角与垂直倾角分别为：90°与64°；预报里程段围岩主要为微风化灰岩，以坚硬岩为主，围岩节理裂隙较发育，岩体较破碎，多呈厚层状-镶嵌碎裂结构，可能存在溶蚀裂隙，夹层甚至岩溶溶腔。

G3+222～G3+168段,该段长度54 m，结合该段成果图及地质情况综合分析，通过分析纵横波对比速度及反射符号分布曲线图，纵波速度有所上升，横波趋于稳定，但横波波速较低，纵波主要反射界面水平夹角与垂直倾角分别为：86°与-89°；预报里程段围岩主要为微风化灰岩，以坚硬岩为主，围岩节理裂隙稍发育，岩体较完整，多呈厚层状结构。

G3+168～G3+109段,该段长度59 m，结合该段成果图及地质情况综合分析，通过分析纵横波对比速度及反射符号分布曲线图，纵波速度趋于平稳，横波速度略有起伏，横波主要反射界面水平夹角与垂直倾角分别为：90°与90°；预报里程段岩溶稍发育。

3.2 地质雷达探测法

根据TSP的预报结果，为了进一步明确围岩情况，针对岩层较为发育的G3+259～G3+222段，采用地质雷达进行进一步探测。地质雷达探测是基于电磁波遇到不同反射界面其反射振幅、频率和相位不同来判断前方传播介质的变化。介质介电常数的差异决定了电磁波反射的强弱程度和其相位的正负。岩石岩性、风化程度及其含水量等的变化将影响其介电常数，电磁波反射的频率、振幅、相位也将发生变化，因此，根据电磁波反射的特征推断掌子面前方的地质情况，一般探测距离为20 m～30 m。

图2 地质雷达系统组成图

图3 地质雷达探测原理图

选用美国GSSI公司生产的SIR-3000型地质雷达，使用中心频率为100 MHz的天线，沿测线进行数据采集，连续探测，并得出雷达反射剖面。采集参数为：采集方式为连续，每扫描采样数为1024，采集时窗为600 ns。在G3+259掌子面上布置雷达，沿水平和垂直方向共布置了4条地质雷达测线，经雷达图像处理分析后得到雷达波形，见图4。

图4 地质G3+259～G3+234段雷达波形图

根据以上地质雷达数据处理成果图并结合现场实际地质情况综合分析，可得出以下结论：在桩号为G3+259～G3+234的25 m探测范围内，根据所做的地质雷达波谱图可以看出，电磁波能量反射较强，深部电磁波衰减明显，结合地质情况综合分析推测预报里程段范围内，围岩岩性为微风化灰岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，多呈中薄层状结构。预报里程段岩溶略发育，局部存在溶蚀裂隙、裂隙夹泥；预报里程段地下水稍发育，受大气降水影响较明显，可能出现沿溶蚀裂隙渗流等现象。同时，此结果还验证了TSP预测结果中里程段G3+259～G3+234裂隙间多泥质充填或存在溶蚀裂隙，局部可能存在岩溶裂隙的情况。

3.3 超前钻孔

根据TSP预报及地质雷达探测的结果，基本可以确认里程段G3+259～G3+234裂隙间多泥质充填或存在溶蚀裂隙，为了进一步明确掌子面的情况，以便明确爆破设计参数。在人工钻爆破孔前，采用气腿式钻机，在地质雷达不能全面覆盖的拱角和拱顶区域进行超前钻孔，钻杆采用5 m加长，通过对钻孔的难易程度（是否出现卡钻情况）及钻孔的透水情况进行全断面分析。对G3+259掌子面处进行钻孔，确认孔正常、局部有泥水流出，进一步验证了局部岩溶较发育，局部存在溶蚀裂隙、溶蚀通道的可能。

4 结语

根据上述检测结果，G3+259～G3+234在实际施工中采用了短进尺、弱爆破的方式，按Ⅴ类围岩进行开挖，由原来的2m钻爆距离缩短到0.8 m的钻爆安全距离，经过实际开挖完成后比对，综合地质预报的结论准确，确保了隧洞施工的安全，同时加快了施工功效。本文依托广西桂中治旱某隧洞单项工程的岩溶发育特征，利用TSP超前预报系统和地质雷达等物探手段对隧洞不良地质缺陷进行了探测，结合掌子面揭露情况和超前钻探结果，推断出有探测段围岩的地质状况，很好地验证了此次TSP超前预报和探地雷达相结合探测不良地质缺陷的准确性，可供类似工程参考借鉴。