综合超前地质预报技术在铜盘山隧道中的应用

涂孝波，易萍华，陈 亮

（1东华理工大学建筑工程学院，江西南昌 330013；2上海同济检测技术有限公司，上海 200092）

0 引言

隧道地质条件复杂多样，前期工程地质勘察由于地质、地形条件的复杂性，以及受精度、时间、成本条件的限制，地质资料不可能详细全面地反应实际地质情况，施工过程中就有许多安全隐患的存在。因此，在隧道施工阶段通过超前地质预报及时掌握开挖面前方不良地质体的位置、规模和性质，减少或避免突发性地质灾害的发生，已成为隧道建设不可或缺的工序。

近年来，国内外学者在隧道超前地质预报方面开展了大量研究，但到目前为止，还没有任何一种预报方法能解决所有地质问题，采用单一的预报方法，在地质条件复杂的地段经常出现漏报、误报等情况，因此，针对这个问题许多学者提出了多种预报手段综合应用的预报方法，并取得了许多成功的案列。如张庆松等人[1]通过对隧道常用超前地质预报方法应用技术现状的分析，讨论了综合超前地质预报的必要性。陈建平等人[2]提出的综合超前预报方法，重视地质法的指导作用，将多种物探方法综合应用。罗浚等人[3]提出多种方法相结合的隧道综合超前地质预报方法，并建立合理的预报流程。

本文分析了隧道常见超前地质预报方法的基本原理、优缺点，提出了综合超前地质预报技术，结合杭绍台高速铜盘山隧道工程背景，详细说明该技术具体实施方法与步骤。

1 隧道常见超前地质预报方法

1.1 地质法

地质法是一种基础的、实用的超前地质预报方法。主要是充分利用已有的基础资料对隧址区的工程地质和水文地质情况进行初步判断，对可能存在地质灾害隐患的地段再通过地表补充调查、隧道内地质编录、掌子面地质素描等进一步查明该地段地质条件。根据地层界线、结构面产状以及地质构造地表和地下相关性原理，不良地质体的前兆现象，运用地质理论对隧道前方的地质情况做出预测[4]。通过地质法可对隧址区地质复杂程度等级进行划分，评估风险等级，确定重点预报地段，指导超前地质预报方案的制定。该方法不影响施工，仪器设备简单易操作，可实时掌握隧道地质条件的变化，预报效果良好；缺点是容易漏报隧道前方隐蔽的不良地质体[5]。

1.2 钻探法

钻探法包括超前地质钻探和加深炮孔探测，两者都是通过钻探情况来获取地质信息。主要是根据钻探情况来探明岩性的变化，以及构造、含水性、岩溶洞穴等的发育位置及其规模。该方法具有直观性、客观性、不存在多解性和不确定性等优点，可以直观地反映钻孔所经过部位的地质情况；但耗时长、费用高，一般很少被采用。

1.3 物探法

TGP（Tunnel Geology Prediction）地震波反射法超前地质预报是基于地震波在不均匀介质传播过程中将产生反射波，根据反射波特性对掌子面前方的地质情况做出预测。该方法是在隧道侧壁同一高度等间距布置多个激震孔，通过人工制造一系列地震波信号，地震波在隧道周围岩体内传播，当遇到一些地质界面或地质带时会发生反射。反射的地震波将被预先埋置的检波器采集接收，再通过相应的软件进行处理得到成果图，最后再结合基础地质资料综合分析，推断掌子面前方围岩的地质情况。该方法预测距离长，适用于长距离预报，对于大规模和大角度相交的不良地质体预报效果良好；但对于不连续、不规则形状以及小角度相交的不良地质体预报准确度难以保障，同时探测成果存在多解性，诸如断层、节理、结构面或其他界面异常形式差别很小[6-7]。

地质雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）探测是基于电磁波在介质传播过程中遇到不同地质界面，电磁波将出现异常，根据其异常形态特征和衰减情况对掌子面前方的地质情况进行推断解释。该方法是通过向地下介质发射高频电磁波，电磁波在传播过程中，当遇到电性差异界面时，将产生反射现象，接收反射回来的电磁波。采集到的数据经过处理后，然后根据波形，再结合地质资料推断地下介质的空间位置、大小及其特性等。该设备分辨能力强，判释精度高，对于小规模的地质体和含水性异常分辨能力强；但预报距离较短，易受其他因素干扰[8-9]。

红外探水法就是利用地下水的活动引起岩体红外辐射场的变化，根据辐射场的变化来确定掌子面前方及其周围是否存在隐伏的含水体。该方法主要用于探测含水不良地质体；但是，无法判断水量与确切距离，预报距离短，容易受干扰。

2 综合超前地质预报

上述每种方法都有其自身的局限性，地质法对于不可预见的地质体容易漏报，钻探法成本高、耗时长且预报范围有限，物探法存在着多解性，而隧道的地质条件又复杂多样，采用单一的预报方法并不能解决所有地质问题。因此，根据不同的地质情况、预报效果、预报距离，将不同的预报方法合理搭配，综合应用。

综合超前地质预报技术即采用以地质分析法为基础，物探法为辅助，钻探法为复核的粗-中-细的综合超前地质预报方法。多种方法综合运用，多管齐下，充分发挥各方法的优势，相互验证与补充，提高预报的可靠性和精确度。

综合超前地质预报技术应以“地质与物探结合，洞内外结合，长短结合、综合应用、坚持预报与开挖验证反馈”为原则进行预测预报。预报流程如图1所示。该技术注重地质分析法的基础作用和指导作用，并将掌子面地质素描和地质编录贯穿于隧道超前地质预报的始终，只有在充分掌握地质资料的基础上，才能准确有效地指导其他预报方法的应用。对异常区段采用多种方法合理搭配、综合应用的模式进行预报；坚持预报结果与开挖揭露情况对比验证，分析反馈，总结经验，纠正偏差，以提高预报的准确性。

图1 综合超前地质预报技术流程图

3 工程应用

3.1 工程概况

铜盘山隧道左线全长4244m，最大埋深为370m。右线全长4183m，最大埋深为367.5m，属于特长隧道，采用分离式设计。

隧址区上覆分布薄层粉质黏土、碎石，下伏基岩为流纹质凝灰岩，凝灰质砂岩等。隧址区内受多期构造运动影响，分布有5条断层，F1—F5。F1断层宽度最大，断层带内岩石呈糜棱岩状、构造角砾岩状、断层泥状均有，岩性复杂，工程性质较差；F3断层由多条平行的挤压破碎带组成，带内岩石破碎，完整性差，工程性质较差；F4断层宽度不大，带内岩体较破碎，岩石蚀变强烈，局部地段节理发育密集，工程性质较差；其它两条断层性质相对较好。

3.2 铜盘山隧道综合超前地质预报的实施

首先通过分析铜盘山隧道前期的工程地质资料，得出隧址区内构造发育，隧道穿越多条断层，断层发育地段地质条件复杂，是施工高风险地段，因此，隧道穿越断层地段应该作为施工中的重点预报区段，本次预报选取已开挖的F4断层破碎带为例，详细说明综合超前地质预报方法的应用。

通过地表实测显示，F4断层与隧道的位置关系如图2所示。与围岩呈断层接触，产状321°∠56°，与隧道轴线大角度相交，岩质较坚硬，呈镶嵌碎裂状结构，节理裂隙发育，岩体破碎。

图2 铜盘山隧道F4断层工程地质剖面图

掌子面（桩号K53+368）地层岩性为青灰色凝灰岩，强～中等风化，节理裂隙较发育，结构面产状为254°∠69°，裂隙间多泥砂质充填，绿泥石化蚀变强烈，围岩稳定性较差，掌子面可见渗、滴水现象，工程性质较差。

根据前期的地质资料以及地表补充调查，该里程段发育有F4断层，通过掌子面地质情况可以看出，可能临近断层，前兆现象明显，结合各种物探的适用性，决定先采用地震波反射法（TGP-206）对K53+368～K53+268里程段进行长距离探测，初步查明断层发育位置、规模等，对于异常区段，再辅以地质雷达法准确判断其发育位置及其规模，或者采用红外探水查明富水情况，最后在有必要的情况下利用加深炮孔或超前钻孔进行直观分析。

3.2.1 TGP预报

现场采用TGP-206对K53+368～K53+268段岩体（100 m）进行长距离预报，图3为通过TGPwin软件处理得到的成果图。

预报结果解析如下：

1） K53+368～K53+354,长14m，偏移图显示无明显异常，反射面少，纵横波速度不变，推断该里程段围岩与当前掌子面一致，建议围岩级别为Ⅲ级；

2） K53+354～K53+326,长28m，纵横波速度明显下降，纵波速度低于3000m/s，横波速度低于2000m/s，纵波和横波主要反射界面水平夹角与垂直倾角分别为：71°与-60°和70°与59°。 该里程范围内共有5条强反射界面，分别在隧道的K53+354、K53+344、K53+338、K53+335和K53+326里程。上述里程段除了K53+344、K53+326里程外，其余的均表现为负的强反射特征，由此推测负的强反射界面处为断层破碎带、裂隙密集带，断层影响带宽约22m。在K53+338～K53+326里程段横波反射强于纵波，有裂隙水的可能，建议围岩级别为Ⅳ级；

3） K53+326～K53+290,长36m，纵波速度基本不变，横波速度有所上升，均为正反射，推断该里程段围岩基本完整，无地质病害，建议围岩级别为Ⅲ级；

4）K53+290～K53+268,长22m，该里程段纵波速度有所下降，速度低于3000m/s，横波速度有升有降，纵波和横波主要反射界面水平夹角与垂直倾角分别为：77°与87°和85°与73°。 该里程范围内共有4条中等反射界面，其中在K53+287、K53+277和K53+270里程为负反射。由此推断负的中等反射界面为裂隙密集带，宽度约7m，建议围岩级别为Ⅳ级。

3.2.2 地质雷达预报

由TGP预报结论可知，K53+354～K53+326段岩体性质较差，有断层，裂隙密集带、裂隙水存在，当开挖至K53+356时，采用地质雷达对K53+356～K53+326里程段进行短距离预报，准确判断不良地质体发育位置及其规模。

由图4可以看出，A区域（K53+353～K53+346）电磁波反射信号频率呈现不均匀的中低频信号，同相轴局部存在错段，呈面状区域化分布，结合实际地质情况，综合推断该里程范围内节理裂隙密集分布，存在岩体破碎带，有少量裂隙水，工程性质差；B区域（K53+343～K53+330）存在多条反射信号，有低频信号出现，呈面状区域化分布，整体围岩破碎，稳定性差，富水性较强，建议围岩级别为Ⅳ级。

图4 K53+356～K53+326段地质雷达波形图

3.3 综合结论

采用TGP长距离预报、地质雷达短距离预报以及结合前期勘察设计资料，以及现场地表补充调查和掌子面地质调查的综合超前地质预报方法，综合推断认为K53+354～K53+326段受F4断层的影响，岩石蚀变强烈，节理裂隙发育密集，岩体破碎，裂隙水发育，工程性质差，施工时应注意防排水处理，及时跟进支护，以防发生围岩坍塌。

3.4 实际开挖揭露状况

实际开挖揭露状况如图5、图6所示。

图5 K53+351掌子面照片

图6 K53+336掌子面照片

4 结论

1）地质工作是隧道超前地质预报的基础，其他预报方法都是在地质的基础上进行的，只有掌握了整个隧道工程所处的地质环境，才能准确地制定合理的预报方案。

2）物探资料的解译只有在充分掌握地质资料和高质量物性资料的基础上进行，才能获得准确的地质信息，避免物探成果的多解性。

3）根据不同的地质情况、预报效果、预报距离，将不同的预报方法合理搭配、综合应用。

4）坚持预报结果与开挖揭露情况对比验证、分析反馈、总结经验、纠正偏差，以提高预报的准确性。