综合超前地质预报技术在阳宗隧道的应用研究

韩峰

（中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110000）

1 概述

近年来随着国家“一带一路”倡议的深入实施，公路和铁路等基础交通建设不断深入复杂多变的地质环境，给予隧道工程的发展带来了更多机遇与挑战。因此，开展隧道超前地质预报工作，精准全面地探测隧道掌子面前方围岩地质特征及地下水赋存状况，对隧道工程灾害防治和安全施工具有重要意义。

目前，常应用于隧道工程领域的超前地质探测方法有地质调查法、地球物理勘探法和超前钻探法等。由于隧道施工环境复杂多变，采用单一预测方法难以达到预期效果，预报结果也往往难以令人满意。为克服此关键难题，近些年越来越多学者专注于隧道工程领域综合超前地质预报的研究[1-5]。另外，针对复杂地质条件下的不良地质体的预报研究较少，其空间位置、形状和规模大小预报精度欠缺。鉴于此，依托地质条件极为复杂的阳宗隧道，以地质调查法为基础，建立综合超前地质预报体系，精准预报掌子面前方不良地质，指导阳宗隧道安全高效施工。

2 综合超前地质预报体系构建

通过查阅文献对单一超前地质探测方法分析可知，每种方法都有各自的优势与缺点，决定了各种探测方法的适用条件、适用范围和使用前提不尽相同。因此，针对复杂地质条件下隧道超前地质探测，合理选择预报方法、制定超前地质探测体系对隧道安全施工至关重要。本文根据阳宗隧道地质条件特点，提出了以“地质调查法为基础，长距离与中短距离相结合的多种物探法为主，超前钻探法验证”的综合超前地质预报体系，探测流程如图1 所示。

图1 综合超前地质探测体系流程图

3 工程应用实例

3.1 工程概况

福宜高速公路阳宗隧道地处呈贡区阳宗镇境内，左线隧道起讫里程为ZK42+250、ZK50+020，全长7770m，右线隧道起讫里程为K42+313、K50+021，全长7708m，最大埋深为572.62m，为深埋特长隧道。

隧址区属于构造侵蚀低中山地貌区，地形陡峭，沟谷切割较深；地层岩性主要为第四系全新统坡残积粉质黏土、含砾粉质黏土、角砾；下伏基岩时代较为复杂。根据区域资料结合现场调查综合分析，隧道区域地质构造主要为南北向活动断裂，穿过8 个断层破碎带，且区域水文地质条件较为复杂，水量较为丰富，受构造破碎带及基岩节理裂隙发育的影响，部分形成透水带，在隧道施工中易产生突水、涌泥等不良影响。

当阳宗隧道左线掌子面施工至ZK42+845 处，揭露的围岩结构面由黏土填充，以强风化白云质灰岩为主、锤击易碎，岩质较软且破碎、松散，软弱夹层发育，掌子面整体稳定性差，其地质素描如图2 所示。此外，由于临近断层破碎带，为保证隧道施工安全，最大可能性避免施工过程发生突水、涌泥、大变形和围岩塌方等重大灾害，应及时开展掌子面前方地质探测工作，了解并掌握断层的位置、规模及富水情况，便于及时采取下步施工措施。

图2 左幅ZK42+845 掌子面地质素描图

3.2 综合超前地质预报应用

3.2.1 地质调查法

通过对阳宗隧道左线ZK42+845～ZK42+945 段掌子面围岩观察与探测，判定此段以强风化白云质灰岩为主，岩质软弱、破碎，节理裂隙发育，且掌子面呈点滴状渗水。

3.2.2 TSP 法

采用TSP305 Plus 对隧道左线掌子面前ZK42+845～ZK42+945 段进行探测，有效探测距离100m。在开展探测工作之前，在掌子面左边墙上按照要求布置一个地震波信息接收探头和24 个激发孔，每个间隔约0.5m，使用锤击法激发地震波。利用TSP 仪器采集完成后，对其探测结果进行处理得到图3 所示。

图3 TSP 超前地质预测结果

由图3 可知：ZK42+845～ZK42+866 段横、纵波波速、波速比Vp/Vs、泊松比、弹性模量起伏较大，密度变化较小，反射界面较为密集。推测本段围岩为强风化白云质灰岩、泥质灰岩，岩质较软且极易破碎，基岩裂隙水发育，整体完整性差，隧道开挖易出现掉块、坍塌情况。ZK42+866～ZK42+886 段总体波速起伏较小，反射界面较少，推测本段围岩为强～中风化白云质灰岩，岩质稍硬且破碎，节理裂隙发育。ZK42+886～ZK42+925 段密度变小，弹性模量出现负反射，反射面稍多。推测本段溶蚀裂隙发育，富水性较强，易出现掉块、坍塌情况。ZK42+925～ZK42+945 段纵、横波波速略有上升，波速比Vp/Vs、泊松比下降，密度变大，弹性模量上升，反射界面稍多，推测本段围岩为中风化白云岩、灰岩，岩质较硬且较破碎，节理裂隙和软弱夹层发育，易出现严重掉块情况。

3.2.3 GPR 法

采用瑞典的RAMAC/X3M 型地质雷达，采集方式为剖面法，点触发，使用时设为100MHz 中心频率的屏蔽天线，时窗为600ns，采样点为1024MHz，点距为0.1m，迭加次数为128 次。图4 为掌子面ZK42+845 处地质雷达探测剖面图。

图4 GPR 法地质雷达探测剖面图

由图可知，在掌子面前方0～30m（ZK42+845～ZK42+875）隧道范围内主要以中低频信号为主，但分布不均匀，信号频率变化较大，雷达波同相轴不连续，波形不均一，振幅较弱。分析推测该范围内围岩岩体破碎，溶蚀裂隙发育，并伴随股流状出水，因受降雨补给影响，水量较丰富，稳定性差。

3.2.4 TEM 法

采用武汉长盛工程检测技术开发有限公司瞬变电磁YCS400-Z。探测测线布置在阳宗隧道进口左幅ZK42+845 掌子面及两侧帮，共布置测点14 个，每个点测3 个方向，共45 个数据，见图5 所示。设计探测方向与隧道顶板所在岩层呈45°左右夹角向上探测、顺岩层方向探测、探测方向与岩层底板45°左右夹角向底板探测。采用多匝线框，小回线量测，并尽可能让发射和接收线框靠近顶板、掌子面和两侧帮。

图5 掌子面超前探测方向布置示意图

探测剖面分为上、中、下三图，如图6 所示。掌子面正前方向上30°方向，左侧10°～20°方向，ZK42+845～ZK42+880 段呈相对低阻反映；右侧60°～75°方向，ZK42+880～ZK42+955 段呈相对低阻反映，推测该段富水性较强。掌子面正前方左侧0°～30°方向，ZK42+845～ZK42+880 段呈相对低阻反映，推测该段富水性较强；掌子面正前方向下30°方向，左侧0°～15°，ZK42+845～ZK42+870 段呈相对低阻反映，右侧15°方向，ZK42+845～ZK42+865 段呈相对低阻反映，推测该段富水性较强。

图6 TEM 探测结果

根据上述分析可知，该段隧道整体地下水较活跃，基岩裂隙水发育。ZK42+845～ZK42+880 段左侧富水性较强，ZK42+880～ZK42+955 段段右侧富水性较强，水量稍大，施工需密切注意地下水情况，加强截排水工作。

3.2.5 超前钻探

在上述物探预报结果综合分析基础之上，确定阳宗隧道前方围岩破碎带和岩溶发育大致情况。为保证隧道施工掘进的安全性，更加直观可见、准确地反映探测结果，确定在掌子面ZK42+845 处布置超前水平钻探，施作3 个超前钻孔，深度为30m。采用具有取芯功能的超前水平钻机，并配有孔内成像仪进行孔内成像。综合孔内成像和芯样分析表明：ZK42+845～ZK42+875 段围岩较为破碎，岩质较软，岩层结合性较差且裂隙发育，地下水发育，部分部位滴状出水，整体情况与前述物探分析结果相吻合。

4 结论

4.1 TSP 法可以定量反映隧道岩体参数，探测距离长，探测结果直观，可以有效探测岩体破碎段。

4.2 GPR 法探测距离虽然较短，但是高分辨率和高定位精度可以有效探测掌子面前方含水不良地质体。

4.3 TEM 法对低电阻率目标体反应灵敏，可准确探测掌子面前方富水区域，精准探测隧道掌子面前方水文地质条件。

4.4 三种物探方法可以相互验证，减少单一方法的不准确性与误报漏报，提高隧道超前地质探测的可靠性，并采用超前地质钻探验证，为隧道施工安全提供可靠保障。