隧道施工中超前地质预报的应用

潘福源

【摘  要】隧道工程在大型项目如水利水电、公路、铁路中具有重要作用，设计勘察隧道工程时，勘察工作已经开始实施，但是因为勘察经费、时间、技术和地质情况等限制，勘察阶段获取的资料通常情况下不能满足施工阶段的要求。修建复杂地质区域隧道过程中，为了提升施工的安全性，降低施工灾害发生率，需要事先实施超前地质预报。以某隧道举例，使用GPR、TSP-203等物探方法对其进行地质探测和分析，结果显示现场实际状况和探测结果相一致，显著提升施工安全性，降低风险发生率，有效促进隧道施工工作的进行。

【关键词】地质雷达;超前地质预报;GPR

前言：

近年来，我国社会经济水平迅速提升，交通事业也在不断前进和完善，特别是铁路建设行业，我国已经成为全球隧道修建难度最大、规模最大的国家。重大工程建设逐渐转移向岩溶地区和具有极端复杂地质地形的西部山区，未来众多深长高风险隧道会在这里修建。施工前期深长隧道中不能对沿线不良地质情况全部查清，这会提升施工期间重大地质灾害，如大变形、塌方、突水突泥等情况出现的几率，部分隧道无奈改线或者停止修建，机械设备报废，施工人员受到伤害，严重者甚至失去生命。对经济和环境造成十分恶劣的影响。

一、超前地质预报发展现状及基本原理

1.1TSP超前地质预报

地震波的产生是因为二十四个爆破点上的少量炸药产生爆炸，地震入射波一旦遇到有变化的岩层或者岩体结构时，因为分界面上具有不同的介质，所以部分地震入射波会被反射，TSP超前预报系统利用这一原理，使用电子传感器接收到信号。岩体中的地震波传播速度固定，因此入射波到达不同岩体分界面和反射波的到达时间的距离成正比关系，可对测点和地质变化带的距离进行间接测量，对隧道掌子面前方的围岩地质状况和地质结构进行预测[1]。

1.2地质雷达探测法

地质雷达探测法是通过发射机进行脉冲电磁波的发射，部分直达波经掌子面进行传播，另一部分电磁波传播入岩体，传播波的期间，如果遇到的岩体具有不同电性，电磁波发射，后达到接收机。按照以上波传播时间对掌子面前方岩体的位置情况进行精确了解。地质雷达探测法应用广泛，在考古、矿产资源、隧道、煤矿、水电站、铁路、公路等领域均有涉及。

1.3超前钻探法

超前钻探法是超前地质预报中最直观的、直接的探测方法，通常情况下，钻探位置为三十到五十米，可以探测隧道中物探异常区、煤层瓦斯发育区、富水岩溶、富水软弱断层破碎地段等，但该方法使用成本较高，严重影响正常施工，因此使用具有一定的限制。优点预报加深炮眼时，范围仅限三到八米，在岩溶区实用性更强，不影响正常施工，可行性和操作性极强，准确预报围岩岩溶发育区和地下水发育区。

1.4综合超前地质预报体系

预报隧道超前地质方法众多，例如地质调查法、超前炮孔、超前水平钻、TSP、地质雷达、红外探测、水平声波剖面等。但是预报方法的不同也会对不良地质体的预报效果产生影响，因此实施隧道超前地质预报时，需要针对工程地质水文状况对区和段进行区分，并联系超前预报措施的不同特点，使用预报措施，这样才能够有效快速的对地质灾害情况进行预报。TSP超前预报方法能够定量探测岩体的弹性模量、泊松比、纵横波速等相关参数，可以可靠、准确的预测掌子面前方遭遇到的几乎与隧道轴线垂直的不良地质体界面结果，若是溶洞体呈近平面状并且尺寸较大，不良地质体存在不规则的界面形状，表示准确预报具有较高难度，信号反映情况不佳，同时占用较长工期，每次预报工作耗时在一到两小时之间，每次预报距离大概在一百五十米到两百米。

地质雷达法可对掌子面前方进行有效识别地層岩性的变化，辨识含水破碎带和断层破碎带具有显著效果，能够对涌水进行预报，对含水岩溶裂隙、较大水体、充水溶洞、断层破碎带的规模和位置进行预测，缺点是每次进行预报需要花费三十分钟或者一个小时的时间，容易被洞内机械金属所影响，并且探测距离只有二十到三十米，距离较短[2]。

二、工程实例

2.1工程概况

某隧道DIK55+550～DIK55+580段掌子面显示奥陶系下统红花园组、分乡组、南津关组，矿物成分主要为方解石，颜色为青灰色或者浅灰色，岩石表面溶蚀严重，岩质坚硬，岩体较完整，溶痕、溶蚀沟槽等发育，锤击声清脆，节理较发育，中厚-厚层状。单斜构造，产状较为稳定，岩层产状为E/10°～15°S，N40°～50°。掌子面局部夹泥、破碎，中部偏左位置存在裂隙，其中夹带少量泥土，拱顶上方偏左处存在竖向溶洞，直径大概在一点五米，高度为八米。

2.2综合超前地质预报体系预测结果

探测掌子面前方的地质情况可以使用TSP203PLUS，在掌子面左侧壁布置炮眼，完成地质探测之后，使用TSPwin处理收集到的相关数据，从而得出岩石物性参数、P波反射界面等成果。研究表明围岩纵、横波速度具有较大变化，反射界面较多，动态杨氏模量值全面降低，泊松比整体升高。预测围岩强度较前段变差，局部破碎，岩体较破碎，溶蚀裂隙发育。可以再次使用超前水平钻和地质雷达对岩石情况进行探测。

使用地质雷达探测掌子面前方的地质情况，屏蔽天线选择100 MHz，探测方法采用应用点测法。将水平雷达测线布置在掌子面中部和下部，使其与隧道轴线走向垂直。结果显示此次探测距离为二十米，里程桩号范围为DIK55+574～DIK55+554。DIK55+568～DIK55+554段范围内上围岩整体上具有较高的完整性，泥质夹层存在于掌子面右前方四到八米处，并且掌子面六至八米范围内以左侧二到四米范围内具有泥质夹层。DIK55+574～DIK55+568段范围内围岩含裂隙水，较为破碎，与上段围岩对比，完整性有所降低。

2.3现场开挖情况对比验证

开挖相应里程之后发现其中存在节理裂隙发育，钻探结果和开挖结果均表明使用探地雷达结合TSP超前预报方法在隧道不良地质预测方面的显著效果[3]。

三、结语

综上所述，本文结合工程实际情况，在工程实践中运用综合超前地质预报，通过地质雷达、TSP超前预报方法等物探措施探测隧道工程前方的状况，根据掌子面显示情况，对探地雷达结合TSP超前预报方法在隧道不良地质预测方面的效果进行验证，综合超前地质预报技术可以提升我国经济效益，具有较高的预报准确率，能够为未来工程的实施提供参考意见。

参考文献：

[1]吴小川. 综合超前地质预报技术在万寿山隧道施工中的应用[J]. 勘察科学技术，2019，00（004）：58-61.

[2]肖坤林，刘娇，贾小杰. 地震波法超前地质预报技术在隧道施工中的运用[J]. 中国金属通报，2020，No.1018（04）：260-261+263.

[3]张勇. 综合超前地质预报技术在隧道施工中的应用[J]. 交通世界（工程技术），2019，002（008）：127-128，130.

（作者单位：广西八桂工程监理咨询有限公司）