综合超前地质预报在涌水隧道中的应用研究

张毅清

(中国铁路北京局集团公司石家庄工程项目管理部 河北石家庄 050000)

1 引言

随着我国经济快速发展，在公路、铁路和水利等基础设施施工过程中越来越多的埋深大、长度长的隧道被提上日程，并随着工程设计与施工水平的提高，在原本一些地质条件较为复杂的地段修建隧道成为可能，而此类隧道往往存在洞内塌方、涌水、涌泥、有毒有害气体等风险。为探明施工隧道前方可能存在的围岩变化情况、断层破碎带、裂隙水发育程度等地质情况，以便于更好保证施工过程安全，保证工程质量和施工阶段进度，开展隧道超前地质预报工作显得尤为重要。

目前隧道超前地质预报常用方法包括地球物理探测法、地质调查法、超前钻探法、超前导坑预报法。然而大量工程实践表明，单一或两种超前地质预报方法往往不能够准确有效判断前方围岩地质情况，因此需要结合多种超前地质预报手段综合分析，以便提高超前地质预报的准确性，并根据不同的地质情况提前做好相应措施[1-3]。本文根据和顺至邢台段铁路天河山隧道勘察设计资料，针对隧道施工的高风险段落及断层破碎带发育地带，以TSP(Tunnel Seismic Prediction)探测数据为主导，探测前方断层破碎带发育情况，再使用地质雷达探测断层破碎带含水、含泥情况，最终采用孔内电视进一步验证，根据多种方法的探测结果明确异常位置、形态和性质[4-6]。

2 工程概况

新建和顺至邢台铁路西接阳涉铁路和顺站，东接京广铁路邢台站，是我国“公转铁”战略的关键项目之一。该线建成后，和顺地区煤炭可运往邯黄铁路沿线并供应渤海新区，对于满足晋东地区煤炭外运需求具有重要意义。和邢铁路以货运为主兼顾客运，不仅可以大幅降低能源运输成本，也将结束左权、和顺等太行山革命老区不通客运火车的历史，对促进老区经济发展和民生改善将发挥重要作用。

天河山隧道为全线重点控制性工程，也是全线第一长隧，隧道全长11 695 m，呈东西走向，穿越太行山脉及天河山地区。天河山隧道所穿越太行山山体地层自上而下主要为粗角砾土、碎石土、粉质黏土、页岩、石灰岩和砂岩。隧道最大埋深615 m，洞身共穿越21条断层破碎带。

3 综合超前地质预报

天河山隧道存在断层、褶皱发育的高风险地段，施工过程易遇到围岩失稳、突水突泥等地质灾害。因此，采用弹性波反射法(TSP)、地质雷达和孔内电视相结合的综合超前预报技术，可进一步提高隧道超前地质预报的准确度。

根据勘察设计资料，隧道桩号DK36＋120～DK36＋170范围为性质不明断层fths-2发育段落。为探明掌子面前方较长距离范围内受到该断层发育影响而可能存在的地质异常情况，并提前做好相应的施工预案，尽量避免突发状况对隧道施工影响，决定先采取地震波反射法(TSP)进行长距离探测，依据TSP成果中速度、泊松比、反射界面等变化，推断断层破碎带位置，再采用地质雷达法，根据雷达成果波形变化判断断层内含水、含泥情况，最终采用孔内电视进一步验证，根据多种方法综合判断地层异常位置、形态和性质[7-8]。

3.1 TSP预报

TSP法属于地震反射波法中的一种，以负视速度原理为基础，预报长度较长，准确度较高，目前广泛应用于隧道超前预报中[9-11]。在隧道左边墙或右边墙布设24个炮点，用适量炸药激发地震波，地震波在岩层以球面波的形式传播，遇到阻抗界面发生频率、速度、振幅等方面变化，通过初至时间，计算波阻抗界面位置，估算岩体相关物理力学参数，即可找到断层、破碎带或者岩溶等不良地质的位置，进而实现掌子面前方及周围区域的地质预报，其原理见图1。

使用北京程鹏科技有限责任公司生产的TSP305PLUS在天河山隧道进行数据采集，布置情况见图2。

在隧道掌子面后方左右边墙各设1个接收孔，同一水平线上布置24个等间距炮孔，间距设置为1.5 m。为了弥补地震波信号受围岩影响而产生的衰减，在靠近掌子面位置的前8个激发孔装填150 g炸药，靠近接收器的8个激发孔装填50 g炸药，中间8个激发孔装填100 g炸药。所有激发孔均采用灌水密封的方式减少隧道管波对探测数据的干扰，触发方式皆采用熔断式触发，从而更加准确记录直达波到接收器的初至时间，得到更为精确的围岩波速信息。通过TSP win软件对数据进行分析处理，获得P波深度偏移剖面、反射层提取、岩性参数和异常特征图，根据反射波组合特征及其动力学特征解释地质体性质。

地震波数据解译基本原则:

(1)正反射振幅(红色)代表正的反射系数，表示存在硬质岩层，负反射振幅(蓝色)代表存在软弱岩层；若横波S反射比纵波P强，说明岩层饱含水。

(2)若泊松比或Vp/Vs突然增大，表示前方可能存在含水构造，地下水发育；若Vp下降明显，表明前方岩体节理裂隙比较发育，岩体完整性差。

(3)弹性模量下降明显，表明前方岩体岩质变软，可能发育有软弱围岩。

根据测试数据经分析处理后得到的成果见图3。结合当前掌子面地质情况及勘察设计资料，依据解译原则，推断解释如表1所示。

表1 TSP预报结果及解译

通过对数据成果进行进一步分析可以看出，DK36＋160～DK36＋184段横波波速值较当前掌子面明显增加，波阻抗和反射系数差别较大，Vp/Vs和泊松比上升明显，存在明显的负反射界面，进而推断此段岩体节理裂隙较发育，岩体较破碎，含水量增加，可能出现渗水、涌水现象。

3.2 地质雷达法

地质雷达法(GPR)是基于地下介质的电性差异，向地下发射脉冲式高频电磁波，当遇到有电性差异的界面或目标体发生反射波和透射波[12-13]。根据反射波到达时间求取传播速度，确定界面或目标体的深度；根据反射波的强弱、形态等因素来判定目标体的性质。地质雷达工作原理见图4。

由于前期TSP测试数据在DK36＋160～DK36＋184段围岩参数变化较大，为进一步探明地质情况，故在隧道里程DK36＋160处，使用SIR4000对掌子面前方进行探测。布设两条雷达测线，天线频率为100 MHz，测点间距为0.1 m，记录时窗为720 ns，叠加128次，探测距离为30 m(DK36＋160～DK36＋190)，图5为探测成果。

一般砂岩的介电常数为6，水的介电常数为81，当岩体中富含地下水时，其介电常数较大，反射波表现为较强的正峰异常，同时出现强反射。从雷达探测结果可知，两条测线图像基本相像，16～30 m(DK36＋176～DK36＋190)反射波能量明显增强，频率由高频变为低频，推测岩体裂隙发育，且含水量较高，开挖过程局部可能出现股状出水现象，需做好防水措施并加强支护。

3.3 孔内电视法

TSP法显示在DK36＋160～DK36＋184段围岩参数变化较大，推断围岩节理裂隙较发育，岩体较破碎，含水量增加；地质雷达法显示在DK36＋176～DK36＋190段落反射波能量明显增强，推测岩体裂隙发育，围岩含水量较高。为了进一步明确地质情况，在DK36＋170位置展开孔内电视工作，图6为孔内电视成果图，探测里程为DK36＋170～DK36＋186。由图6可以看出，岩层节理裂隙发育，岩体含水量较大。

3.4 总结

通过对地震波反射法(TSP)、地质雷达法、孔内电视所测得的结果进行综合比较，基本确定了掌子面前方地质异常段落D2K36＋175～D2K36＋190主要为断层破碎带，由于该段地下水和围岩节理裂隙都较发育，存在局部坍塌掉块和出水的情况。施工单位根据超前地质预报结论制定好相应施工措施后，开挖至该段落时所揭露的围岩情况与超前预报结论完全相符合(见图7)，证明综合超前地质预报相较于单一超前地质预报更加准确可靠。

4 结论

为提高超前地质预报的准确率，更加有效指导隧道施工，首先采取长距离地质预报手段(TSP)，以初步确定物探异常段落及其大致类型。由于长距离预报手段在分辨率的空间尺度上较大，后期再辅以短距离预报手段(地质雷达、孔内电视等)，从而进一步确定异常段落性质和范围，指导工程人员提前拟定相应措施。

根据天河山隧道地质灾害类型，使用综合方法进行超前地质预报，准确率较高，保证了隧道工程顺利进行，为以后铁路安全开通运营奠定了基础。