长大高速公路隧道地质超前预报现场应用

周浩宇，陆 超，杨永平

(1.江西交通咨询有限公司 南昌市 330008； 2.中联建设集团股份有限公司 南昌市 330038)

常用的地质超前预报方法有超前钻探法、物探法、超前导坑法等，在实际工程中，超前地质预报需要因地制宜，需要全面考量地质条件等因素，针对不同的情况，采用合适的方法和手段。论文研究的隧道采用物探法中的TSP方法和地质雷达的方法开展超前地质预报[1-2]。

1 工程概况

1.1 隧道情况

某隧道位于江西省境内，项目起点桩号为K73+800，终点桩号为K78+365.978，路线全长4.57km。本隧道围岩级别为Ⅴ～Ⅲ级，岩性主要为砂岩。隧道洞身分界桩号位于直线上，隧道出口位于平曲线上，左、右幅隧道均为R-3000m右转曲线。左、右线间有车行横洞1处，人行横洞1处。 隧道左线长1337 m( ZK72+433～ ZK73+770)，右线长1364 m( YK72+436～ YK73+800)。隧道平面设计为左右线分离双向四车道隧道。

1.2 水文地质条件

风化带孔隙裂隙水：赋存在第四系坡积层底部以及基岩风化带(主要是强风化到中风化岩层中)，属于潜水，其富水性受到地形地貌条件以及风化裂隙的发育程度影响，富水性不均匀，因为隧道区地形起伏较大，岩石的风化带厚度有限，一般富水性较弱。主要接受大气的降水及地下水的侧向补给，受季节的影响变化大，向下游地下水进行排泄。

基岩裂隙水：赋存于隧道区域的基岩裂隙当中，富水性和导水性相对比较差，而且较不均匀，主要接受大气的降水以及地下水的侧向补给，向下游地下水进行排泄。

构造裂隙水：赋存于隧道区域内的破碎带和节理裂隙密集区，富水性、导水性相对较好，但不均匀，主要接受大气降水及地下水的侧向补给，向下游地下水排泄。

2 超前预报方法

2.1 TSP

TSP工作原理是采用排列方法在隧道围岩中发射弹性波，弹性波朝着三维空间传播，途中碰见岩溶和岩溶发育带、构造破碎带等声阻抗界面，弹性波会反射，布置在隧道围岩内的检波装置接收反射回来的反射波，并且输送到能够进行信号的放大、数字采集和处理的仪器中，分析反射波传递的隧道掌子面前方的信息，完成超前地质预报。采集的 TSP数据，通过 TSPwin软件进行处理，获得 P波、 SH波、 SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果[3]。

2.2 地质雷达

地质雷达的基本原理是：发射机依靠发射天线发射一种脉冲电磁波讯号。发射的讯号在岩层中传播，遇到被测目标时，产生反射讯号。直达讯号和反射讯号可以经过接收天线记录到接收机中，经过处理，示波器将信号表现出来。通过观察是否有反射讯号来判断是否有探测目标；获得反射讯号与直达讯号到达时间的差值及探测目标反射平均波速，经过计算，得到接收点到探测目标的大致距离。

3 隧道现场应用

本项目A6标隧道进口和A7隧道出口，地质完整性较差，整个线路存在断层破碎带、软弱地层、岩溶等不良地质，隧道施工风险较大。

3.1 TSP

3.1.1测试仪器及探测步骤

使用TSP203型超前地质预报系统设备进行超前地质预报。探测的基本步骤为：先布置钻孔，然后完成钻孔施工，其次进行数据采集和数据分析，最后提交分析报告。

测线测点布置：人为制造小型爆破，产生振动波，在一侧的隧道洞壁施作24个孔距1.5m、孔深1.5m爆破孔；炮孔垂直于边墙向下倾斜15°～200°，这么做的目的是后期利于灌水堵孔。在距离末端的爆破点15～20m的地方，在一侧或者双侧设置接收器点位，接收器安装孔的要求是，孔深为2m，同时需将接收传感器放置其中。

探测：探测中，按顺序引爆炸药，产生小型的地震波，地震波传播途中，遇到异常界面时，产生反射波，不良地质界面的产状、性质、界面至接收点的距离可以由产生的反射波的强度和反射波传送的时间分析得到。记录仪电脑储存有传感器传输的反射波数据，经过软件处理，获得隧道影像点图，再由分析人员解释，得到工程中隧道前方的地质情况。

3.1.2资料分析与处理

在成果解释中，以P波资料划分主对岩层，并综合横波的资料进行解释。解释中，遵循以下准则：

(1)正反射、负反射振幅分别对应硬岩层、软岩层。

(2)S波的反射如果相比于P波强，表明岩层饱含水。

(3)一般情况下，当发生Vp/Vs增大或δ突然增大，是因为流体的存在而引起。

(4)若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

3.1.3本隧道TSP探测地质预报结果分析

数据采集使用TSP203plus仪器，隧道右侧墙布置震源，共设24炮，实际上共激发22炮。设计参数方面，采样率调整到62.5μs，记录长度调至451ms，接收使用三分量检波器。探测深度为掌子面前方90m。TSP预报成果解译如图1所示，分析可知，范围内的硐段未发现异常，围岩在掌子面前方30m范围内条件较好，在30～60m范围内条件差，存在安全隐患，然后围岩条件逐渐变优。因此施工过程中，为了更准确地掌握掌子面前方的情况，每开挖15m，需使用地质雷达进行超前探测。在实际的现场开挖后，发现确实在掌子面前方大约45m处，围岩条件差，存在小型掉落、塌方的情况，而后方的围岩条件变好，可见，实际情况和预测情况一致度高。

图1 TSP探测岩体物性图

3.2 地质雷达

3.2.1测试仪器及探测流程

仪器采用的是型号为SIR-3000的探测美国地质雷达，天线主频为100MHz。

地质雷达探测时主要流程：

(1)对隧道掌子面的围岩情况进行检查和记录。

(2)连接和调试雷达主机、天线以及专用采集笔记本电脑。

(3)做好进入采集模式的准备，尽量避免各种电磁的干扰和串扰。

(4)通过采集方式，确定天线的运动方式，采集数据。

3.2.2地质雷达地质预报结果分析

数据处理采用美国雷达专用处理软件以及本单位自行开发的二次处理软件。布设一条长度8m的侧线，侧线位于掌子面底部。本次预测范围为掌子面前方25m，地质雷达的成果解译如图2所示。分析结果来看，预测范围内围岩条件差，表现为岩体较破碎，节理裂隙较发育，岩体呈中风化。另外实际施工时需要注意，在掌子面前方10m发育一条含水裂隙。实际开挖后，发现掌子面前面9m左右存在强渗水，可见，实际情况和预测情况一致度高。

4 结论

(1)对于复杂地质条件下隧道，地质超前预报可有效识别掌子面前方的不良地质，为隧道施工提供指导。

(2)TSP203和地质雷达均可有效识别掌子面前方的不良地质，其中TSP203对断层破碎带的识别精度高，地质雷达对地下水的探测具有较好的效果，对于复杂地质条件，需开展综合超前地质预报。