浅析超前地质预报技术在富水隧道的综合应用

李 平，何翰林*，罗天宇，李 阳

（1.四川沿江宜金高速公路有限公司，四川 成都；2.四川振通检测股份有限公司，四川 绵阳）

引言

随着我国经济的快速发展，以及国家“一带一路”和交通强国战略的推进，不可避免的，隧道工程项目越来越多，进而遇到的地质条件也越来越复杂。隧址所处岩层往往会遇到各种各样的不良地质情况，如软弱围岩、含水带、溶洞、断层等，若施工措施不当或不及时，轻则延缓施工进度、造成一定的经济损失，重则造成安全生产事故或者质量事故。为了保证施工的顺利进行，避免各种地质问题的威胁，对隧道围岩进行超前地质预报就是非常重要的一个手段。窝子沟隧道存在的一段高压富水段对施工造成了极大的困扰，本文结合施工现场实际情况，简要分析了几种常用的隧道超前地质预报物探手段，通过不同的预报探测技术的对比分析，结合工程实例，通过开挖对比验证综合超前地质预报技术在涌水等不良地质问题能够进行比较全面、准确的预判。

1 窝子沟隧道工程概况

窝子沟隧道工作区地处四川省西南部，位于四川盆地向云贵高原过渡地带，主要穿越云贵高原北部的横断山区，山脉走向近南北向，基本与金沙江平行，岭谷相间，山高谷深，地表起伏大，高差悬殊。场地大地构造单元属于川西高原康滇隆起的中、东部位置，处于区域安可断裂带和马边－盐津断裂带之间，线路附近发育的断裂主要有拉租断裂F0、马路断裂F1、莲峰断裂F2、峨边- 金阳断裂F3 及其支断裂。离本工程最近的构造为马路断裂Fl。

图1 路线与主干断裂的关系

2 几种常见的地下水探测技术

针对窝子沟隧道所处的地理位置环境和施工中存在的主要工程地质问题，在施工过程中采用的预报方法主要有以下几种：地质素描法、地质雷达法、超前水平钻孔法、隧道地震波预报法（TSP）、瞬变电磁仪法（TEM）等[1]。

2.1 地质素描法

应在每循环开挖后对掌子面及掌子面附近开挖段落进行详细观察。通过手触、锤击、采集样本、观察等方法对开挖面围岩产状、岩性、岩体完整性、围岩风化变质情况、节理裂隙、断层分布和形态、出水量大小等方面进行大范围的前后左右对比分析，对围岩做一个宏观把控[2]。对于节理裂隙发育情况、地下水出水情况、岩层颜色、硬度等进行重点观察，根据观察结果绘制地质素描图，将绘制的地质素描图与地勘资料进行比对，推测开挖面前方的围岩地质情况，以此指导现场施工。

2.2 地质雷达法

地质雷达法的原理是通过发射并接受从各典型界面上发射回来的电磁波，根据反射电磁波的时间、振幅、频率等单项和组合特征来获得反射界面的深度、形态和属性特征，不同围岩界面的介电性差异是地质雷达法应用的基础[3]。地质雷达法可以用于对掌子面前方30 米范围内的隧底、边墙和拱部等进行精细探测，可以探测出较近范围内的岩溶、节理裂隙发育情况，岩层变化情况，完整性情况以及地层中的含水、含泥预报。

2.3 超前水平钻孔法

通过凿岩台车、超前地质钻机等钻孔设备在钻进过程中的钻进速度、施钻阻力、洗孔水压力、岩屑变化等对掌子面前方一定距离内的钻孔附近的地质情况进行较准确的判断，并可以通过钻孔泄水情况测定涌水的水压、涌水时间、结合水文地质调查报告预测涌水量。

2.4 隧道地震波预报法（TSP）系统技术

该技术是一种用于超前预报隧道前方地质变化的地下反射技术。在指定的震源点用小药量激发产生地震波，地震波在围岩中以球面波形式传播，当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，另一部分信号折射进入前方介质[4]。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。通过计算机软件分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况等，最终显示屏上显示各种围岩构造界面与隧道轴线相交所呈现的角度及掌子面的距离。该设备和技术适用于复杂地质条件的公路、铁路等隧道工程施工，用于划分地层界线、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围，但仪器在作业过程中对环境的要求较高，若噪声过大则会影响采集数据的准确性。

2.5 瞬变电磁仪法（TEM）探测技术

瞬变电磁法或称时间域电磁法（Timedomain electromagnetic methods），简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲电磁场间歇期间，利用不接地线圈或接地电极观测二次涡流场的方法[5]。其基本工作方法是：于地面或隧道中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流。断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

3 综合地质预报方法的应用

以窝子沟隧道出口段K133+078～K132+958 为例，此段围岩主要为强风化凝灰质砂岩、粉砂岩，整体较破碎～破碎，地下水为滴水、淋雨或小股状出水。共采取了地质调查、TSP 长距离地震波法、超前地质钻探、地质雷达等综合超前地质预报方法。

3.1 地质调查法

通过对K133+078～K132+958 段设计地勘资料、掌子面地质素描并结合地表地质调查分析，该段围岩主要以强风化棕红色砂岩为主，锤击声较清脆，有轻微回弹，稍震手，较难击碎，岩体较坚硬，节理裂隙发育，岩体破碎，地下水发育，呈滴水、淋雨或小股状出水，稳定性差。

3.2 TSP 地震波探测

TSP 检测结果分析：

经软件处理，由预报成果图（图2） 可知：K133+078～K133+020 段，长度58 m，推测该段围岩以强风化粉砂岩为主，岩体较破碎，节理裂隙较发育，围岩自稳能力较差。K133+020～K132+958 段，长度62 m，推测该段围岩以节理裂隙发育，岩体破碎，存在破碎体，局部区域存在节理裂隙密集带或软弱夹层，地下水呈发育趋势，可能出现滴水、渗水等情况，围岩自稳能力较差。

3.3 瞬变电磁仪法（TEM）探测技术

瞬变电磁结果分析

通过掌子面观察、地质资料以及视电阻率图像（图3）综合分析推断掌子面前方K133+040～K133+020(0～20 m)范围内以砂岩为主，岩质较坚硬，节理裂隙发育，岩体破碎，存在破碎体，地下水沿节理裂隙面渗出，围岩稳定性差，施工扰动后，易发生冒顶、片帮、滑塌等不良地质危险； 推断掌子面前方K133+020～K132+940(20～100 m)范围内围岩岩质较坚硬，岩体破碎，局部存在节理裂隙密集带，岩层存在一定的富水性，开挖过程中可能会发生滑塌、涌水突泥等不良地质问题。

图3 掌子面视电阻率断面扇形

3.4 超前地质钻探

钻探结果分析：

本次钻探掌子面为K133+030，探测长度80 m，左中右共3 个钻孔。前两次预报在K133+020～K132+958 段均为物探异常区域，为此超前地质钻探来验证TSP 法、瞬变电磁法的准确性。窝子沟隧道出口右线K133+030～K132+950 段以灰黑色粉砂岩为主，该段在钻进中岩性未见明显变化，但返浆颜色夹有紫红色，推测该段局部层间风化有少量泥质填充，钻进到15 m 处返水量增大，成孔后孔内水呈股状流出，现场实测（容积法）该孔涌水量约为2.0 m3/h，推测该段局部裂隙或溶蚀孔发育，地下水呈发育趋势，本次钻探未探测到断层带、破碎体。

3.5 地质雷达探测

地质雷达结果分析：

经专业软件处理后探测结果见图4。K133+020～K132+990 段反射界面明显，多次反射信号且振幅较强。推断该段围岩节理裂隙发育，岩体破碎，可能存在含水破碎带，整体稳定性差。

图4 雷达法预报成果

3.6 掌子面开挖验证

通过上述地质调查、TSP 地震波探测、瞬变电磁、超前地质钻探、地质雷达综合地质预报结果得出K133+020～K132+958 段围岩存在含水软弱破碎带，岩体破碎，地下水发育，整体稳定性差的预报结论。后与开挖揭示的地质情况验证对比发现，在K133+010 处掌子面围岩破碎，且有股状水流出，伴随地下水的影响掌子面出现了小塌方（图5）。围岩破碎区段持续到ZK132+960 围岩开始好转，岩石强度变高，整体稳定性变好（图6）。通过在K133+020～K132+958 段，实际开挖围岩与综合地质预报结论高度吻合，综合地质预报取得了较好的预报效果，实际施工中及时采用了径向注浆及超前预注浆加固等措施，保证了隧道施工安全。

图5 K133+010 掌子面

图6 K132+960 掌子面

4 结论

根据窝子沟隧道复杂的水文地质，综合超前地质预报技术，以地质调查为基础，长短距离预报相结合，不同预报方法互相验证，物探解译具有多解性、局限性，根据不同地质情况采取合理且较经济的综合超前地质预报组合模式，有效地解决了单一物探方法带来的误判、漏判现象，为今后隧道地质预报提供一种全面的具有系统性、时效性强的综合地质预报工作体系。