超前地质预报在焦尾琴隧道的应用

刘磊

摘要 根据地勘资料，溧阳市焦尾琴隧道围岩等级为V级，围岩岩性主要为破碎中风化灰岩、安山岩及硅质页岩，交错节理和裂缝、裂隙发育，岩体破碎，存在软弱破碎岩石、岩溶等不良地质，当进行爆破施工时，容易造成拱顶塌方甚至冒顶，在开挖过程中应采用超前地质预报手段加强不良地质的探测，以避免出现工程事故，确保施工安全。

关键词 焦尾琴隧道;超前地质预报;不良地质;隧道施工

中图分类号 U452.11 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0163-04

0 前言

随着社会的飞速发展，人类对交通的需求越来越多，为了让交通更加便利，需要在山里修隧道。不同的山由于经历不同的地质沉积构造作用甚至同一座山不同层位的岩石的力学性质也不尽相同。隧道在不良地质段施工时，为了确保施工安全，需要采用超前地质预报了解前方地质情况后再开始施工[1]，超前地质预报在隧道施工中具有重要意义。

1 隧道工程概况

焦尾琴隧道起于104国道与长山路交叉口，向北以隧道形式穿越西圣山后，终于平陵西路与泓盛路交叉口，该项目隧道段0.63 km。左右洞之间距离从17到24 m不等。其中，隧道左线长630 m，右线长625 m，属于大断面的中隧道，埋深洞口浅埋段约3 m左右，最大埋深约65 m。

1.1 隧道工程地质概况

焦尾琴隧道属于低山残丘工程地质区，地势高低起伏变化较大，地层岩性较多，性质变化较大。隧道左线ZK0+635.00～ZK0+810.00段，长度175 m，隧道洞身围岩主要为中风化破碎安山岩，岩体破碎严重，不稳定，属于V 级围岩。隧道左线ZK0+810.00～ZK1+000.00段，长度190 m，隧道洞身围岩主要为破碎中风化灰岩，岩层节理和裂缝裂隙发育，岩体较破碎且含溶洞，溶洞全填充有泥，局部岩溶发育，为V级围岩。隧道左线ZK1+000.00～ZK1+122.00段，长度122 m，隧道主要为风化严重的硅质页岩，岩体及其破碎，为V级围岩。

1.2 隧道水文地质条件

1.2.1 地表水

焦尾琴隧道地表水主要为雨季降雨，周围分布有村民鱼塘，水量随着雨季旱季变化较大，没有其他大型地表水。

1.2.2 地下水

焦尾琴隧道地下水主要为表层的潜水，承压水位特别低。潜水主要分布在浅部人工填土中。稳定水位埋深约为0.25～7.60 mm。经计算，该隧道正常涌水量约740 m3/天;该隧道最大涌水量约1 013～1 512 m3/天。

1.3 隧道不良地质

路线内不良地质主要有危岩、岩溶、构造断裂、节理等，未见泥石流及有害气体。特殊性岩土主要为一些人工的填土和风化严重破碎的安山岩、灰岩。

2 超前地质预报方法

隧道超前地质预报方法主要分为地质调查法、物探法和超前钻探法，物探法又包括地质雷达法、地震波法、红外线法等。针对不同地质条件选择不同地质预报方法相结合，在地层条件较好时，选择地质分析法即可，在地质条件较差时，需将地质分析法结合物探法、超前钻探法等多种超前地质预报方法[2]。

2.1 地质分析法

地质分析法是隧道施工使用最多的地质预报方法，地质分析法对现场施工无影响。通过掌子面岩性走向、构造走向、岩层分界等地质基础信息进行隧道地质素描，分析掌子面前方岩层、断层、地下水等地质走向，是隧道设计施工的依据材料之一，根据分析结果采取对应的施工方法和优化改进方法，能够更好地保证隧道的施工安全。

2.2 超前地质钻探法

超前钻探法是指在隧道正式进行开挖施工前，使用钻孔设备在掌子面进行钻孔，可用于探测前方工程水文地质条件。主要通过钻孔速度、卡钻情况、钻孔声音、返渣、钻杆是否震动等判断前方岩性、地下水、破碎带等来指导开挖支护施工。

2.3 地震波法

地震波探测技术属于长距离预报技术，围岩较好时预报距离可达150 m。其主要是利用放炮产生有效地震波，在岩石中进行传播。当地震波遇到岩层情况与周围岩体不同的区域，如裂隙、断层、地下水体、淤泥等地质体时，地震波部分会继续向前传播，但也有一部分地震波会发生反射现象，不同的地质体介质产生的地震波反射波形的频率、速度、相位等也不相同，此时通过对接收到的反射波信号进行数据处理，并对波形进行分析，可以判断出前方的探测范围内可能存在的裂隙、断层、节理、地下水体、地层分界线等地质体的空间位置、规模大小等具体情况。

2.4 地质雷达法

地质雷达法在岩层较软时探测距离小于20 m，岩层较硬探测距离可达30 m，地质雷达法是通过专门的仪器向前方围岩发射电磁波，不同介质有不同的介电常數，从而产生不同的反射波，天线接收反射波，其波形频率、反射速度、相位等都有所不同。通过对收集到的波形进行分析处理，从而推断出某段波形对应的地质体的规模范围、存在位置等。

3 综合超前地质预报在焦尾琴隧道的应用

焦尾琴隧道左洞开挖ZK0+780时，掌子面岩石由安山岩转变为灰岩夹泥岩，且出现充填型溶洞，为了确保施工安全，委托第三方监测单位华设设计集团公司加强对掌子面前面围岩的超前地质预报。

3.1 焦尾琴隧道ZK0+789～ZK0+909综合预报

根据前期的地质勘察报告，掌子面前方主要发育灰岩，局部可能岩溶发育，需采用超前地质预报探明前方围岩情况后调整施工方法方能进行隧道开挖及支护施工。

3.1.1 地震波法（TGP探测法）

TGP法炮孔和接收孔分布如图，（图1：炮孔布置平面示意图）炮孔高度距仰拱填充面约1.5 m。从1号孔到24号孔逐孔引爆记录。

根据TGP探测成果图总结如下（图2：隧道左洞ZK0+789三维空间反射界面横断面切片图）：

（1）ZK0+789至ZK0+809段，长度20 m。该范围估算岩体速度较测量段（炮孔实测段）略有上升，存在两处波速变化界面，三维切片图像显示该范围周边岩体绕射波能量变化较大，结合地勘资料，推测该范围内围岩整体处在安山岩与灰岩的过渡段，接近ZK0+809位置可能开始出现灰岩，岩性分界位置围岩可能比较破碎，裂隙发育。

（2）ZK0+809至ZK0+861段，长度52 m。该范围内反射面较为集中，推测该范围岩可能较破碎。通过三维切片结果，结合地勘资料分析，ZK0+837、ZK0+861附近洞身围岩可能较破碎，岩溶发育，该段已进入灰岩段。

（3）ZK0+861至ZK0+909段，长度48 m。该范围围岩波速显著降低，推测该段围岩破碎，结合地勘资料分析可知，該范围可能进入灰岩破碎带及溶洞填充带。

3.1.2 地质雷达法

该次地质雷达法由第三方单位华设设计集团采用地质雷达SIR-4000+100 M天线，采用中心频率为100 MHz的探地雷达天线，介电常数8.0;采样时窗：500 ns，采样点数为1 024。

隧道施工至ZK0+872，掌子面岩体主要为强～中风

化灰岩，裂隙、岩溶发育，岩溶全填充泥，为探清前方情况在掌子面上台阶水平布置2条测线对前方围岩进行地质雷达检测，并利用RadarView软件对原始数据进行处理分析成图（图3：隧道掌子面ZK0+872雷达图）。

掌子面ZK0+872前方0到2 m 内，同相轴与掌子面

一致，推测该范围内围岩整体与当前掌子面接近，为全填充性岩溶;前方2～16 m内，地质雷达反射波整体较弱且断断续续，推测该范围裂缝较多，且还可能发育有岩溶;前方16～25 m内，地质雷达反射波信号变强，但局部还是不连续，推测该段节理和裂隙较发育。

3.2 超前预报综合分析与验证

3.2.1 超前地质预报综合分析

根据焦尾琴隧道进口左线ZK0+789附近掌子面地质调查和地质雷达探测与TGP探测解译分析，焦尾琴隧道ZK0+809-909整体围岩情况较差，围岩破碎，风化严重，可能岩溶发育，施工时应做好防护，加强超前支护，防止掉块、坍塌等危险事故的发生。

3.2.2 超前地质钻探与验证

后续施工验证隧道掌子面ZK0+853围岩主要为灰岩夹泥围岩较破碎，裂缝、岩溶较发育，溶洞充填黏土（图4左：隧道左洞ZK0+853掌子面围岩揭露情况）。

后续施工验证左洞ZK0+872掌子面岩性显示主要为灰岩，中间夹泥较多，灰岩风化较严重呈灰黄色，比较破碎不稳定，节理裂隙及岩溶较发育，溶洞被泥及黏土填充（图4右：隧道左洞ZK0+872掌子面围岩揭露情况）。

根据实际开挖情况，掌子面ZK0+853前方围岩与该次预报基本相符，该次预报为后续掌子面安全开挖支护提供了依据。

4 总结

岩溶隧道的超前地质预报一直以来都是隧道建设中必不可少的环节，对指导隧道期施工及隧道施工中的灾害防治与安全保障有着重要作用，根据超前地质预报调整支护参数。

TSP法适合长距离预报，但也不是无限制，当前方围岩较破碎时，由于地震波的衰减较快，预报距离不宜太远，要观察地震波形信号的衰减情况而定。当然如果岩性较好时，可以预报到200 m远。对于大的地质异常体反应明显，但对确定异常体位置却稍差，较为笼统。

地质雷达超前地质预报探测距离一般不超过30 m，只能作为近距离预报的一种手段，其特点是图像直观明了，有经验者现场即可确定结果。但容易产生电磁干扰，最好断掉电源和其他用电作业器具。天线频率一般选低100 MHz。做连续测量时掌子面要尽量平整，否则要采用点测的办法[3]。

该文以焦尾琴隧道为案例，利用TGP长距离预报与地质雷达、超前探孔短距离地质超前预报方法相结合，很好地预报了掌子面前方的溶洞，项目部通过掌子面拱顶注浆加固安全高效地完成了该岩溶段的施工。综合使用多种物探方法进行具有不良地质的隧道采取超前地质预报能够有效探测掌子面前方不良地质分布情况，对隧道后续安全施工具有指导性意义，也为矿山法隧道施工提供可行性的参考。

参考文献

[1]公路隧道施工技术规范：JTGT 3660—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[2]郭有劲.综合物探方法在隧道超前地质预报中的应用研究[D].北京：中国地质大学，2010.

[3]司建涛，贾留杰.综合超前地质预报方法在宜万铁路云雾山隧道施工中的应用[J].地质灾害与环境保护，2008（1）：

102-104.