超前地质预报技术在龙潭隧道中的应用研究

刘永奎，柴琦龙

（中铁十四局集团有限公司，山东济南 250013）

0 引言

近年来，为了加快我国西部地区经济的发展，西部大开发战略正在步步展开，我国的基础建设也迈入了前所未有的一个蓬勃发展的阶段。而基础建设的重中之重——道路建设中，深埋、长大隧道更是屡见不鲜，难度也是越来越大，安全事故时有发生，这与复杂难料的围岩地质情况息息相关。隧道超前地质预报是隧道施工过程中防止突发性自然灾害的最有效手段，能充分弥补现有地表勘测方法的不足。

隧道超前地质预报不但要在时间上提前，更要在距离上超前，以给施工变更留有充分的准备时间。常规的超前地质预报主要以地质分析法为主，该方法在解决区域地质以及浅埋简单的地质情况下有一定的优势，但是长大隧道的地质情况瞬息万变，使用单一的地质分析法不能准确预测这些变化及其位置和规模，但这些异常恰恰是影响隧道围岩稳定的最重要因素，直接影响施工进度和经济效益，所以地球物理探测方法越来越受到管理部门和广大工程技术人员的重视。作为沪蓉西高速公路的控制性工程龙潭隧道在施工过程中采用多种地球物理探测手段，并辅以超前探孔的地质预报方法，在避免地质灾害的发生方面起到一定作用，对后续类似工程具有借鉴意义。

1 工程概况

龙潭隧道是沪蓉西高速公路宜昌到恩施段的控制性工程。上下行分离式隧道，左线全长8694m，右线全长8620m，两线在洞口的净距约20～30m，在洞身段的净距30～40m，最大埋深530m。

隧址区属于构造溶蚀、侵蚀低中山沟谷地貌区，地形条件很复杂。隧道主要穿越堡镇-碑坳分水岭，区内冲沟发育，分水岭两侧的主要冲沟有头道河、龙潭沟、青岩沟等，而且它们的走向均与地层构造线基本平行。隧道穿越的主要地质构造为长阳复背斜和天阳坪断裂以及仙女山断裂及其分支断裂，地质构造相当复杂。

本区地层的岩性主要是志留系砂页岩和奥陶系碳酸盐岩地层，多属于可溶岩。地下水以岩溶水为主，基岩裂隙水和孔隙水对工程施工影响和危害程度较轻。按常规分析龙潭沟北侧岩溶水应顺层向西侧侵蚀基准面，在低洼处排泄，但是由于受地层可溶性差异、构造等因素影响，使地下水的径流条件更加复杂。

隧道初步勘察认为龙潭隧道施工过程中的主要工程地质问题是F1和F2两条断层和岩溶问题。在隧道出口段施工过程中可能发生突水涌泥及断裂破碎岩层的坍塌冒顶，在雨季甚至可能发生洞穴充填物塌陷及沟水倒灌。

2 预报方法简介

鉴于龙潭隧道在整条线路中特别重要的地位和围岩复杂性，基于安全和效益的考虑，只采用一种预报方法，难以满足要求。根据隧道具体特征采取多手段结合的超前地质预报技术，能够使各种方法的优势互补，达到安全高效的目的。经过认真的论证后，决定以TSP超前地质预报系统为主，辅以探地雷达、红外探水等地球物理无损探测技术，并结合地质分析和超前水平探孔及地质勘察资料，对隧道施工影响区域内的围岩状况进行全面立体的预报，涵盖不良地质体的起止、洞穴的形状、地层的走向、围岩特性和地下水的情况等。

2.1 TSP超前地质预报系统

TSP超前地质预报系统的采集方式是在边墙设置多点微型震源，激发地震波，以球面波的形式在围岩中传播，当地震波向前传播遇到断层破碎带、溶洞、暗河等不良地质体的界面时，就会发生反射，其信号会被高灵敏度的检波器接收，再转换成电信号加以放大。通过震源与检波器的位置关系和直达波的接收时间，可以确定波速（公式1）。在波速一定的前提下，从起爆到不良地质体的反射信号被接受，这段时间是与距反射界面的距离成比例的，然后由反射时间和地震波的速度进行换算。在地震波传播速度已知情况下，通过测得的反射波传播时间，推导出反射界面与传感器之间的距离，从而间接得到反射界面与掌子面的距离，理论公式如式（2）。由于发射和接收的是球面波，所以可以得出反射面的位置和与隧道轴线的夹角，从而确定出距掌子面的距离和大体的形状，同时还可以通过对波速的计算，类比以往工程中专家经验将岩性的变化显示出来。TSP超前地质预报系统在Ⅱ、Ⅲ级较好围岩中能够预报130～180m，在Ⅳ、Ⅴ级较差围岩中能预报80～120m。具有操作简单、耽误施工少、预报距离长等特点，但是由于它是针对隧道掘进机而研制的，所以对于小规模的地质缺陷不是很敏感[1-6]。

式中:L1—震源到传感器的距离；

T1—直达波到达传感器的时间；

式中：T2—反射波传播时间；

L2—爆破孔到反射面的距离；

L3—传感器到反射面的距离。

2.2 地质雷达技术

地质雷达（Ground Penetrate Radar简称GPR）是利用不同岩体的带电性存在很大差异来对围岩进行探测的一种广谱电磁波方法。根据波动理论，其波动方程是：式中:e-βr表示电磁波的场强值随着离场源距离的增大而减小，β称为吸收系数；αr表示电磁波传播过程中的相位项，α称为相位系数。

由于电磁波传播速度：

当电磁波的频率极高时，（4）可简略为

式中：C是电磁波在真空中的传播速度；ε是介质的相对介电常数。

由于地质雷达采用的是高频电磁波，而同频电磁波在真空中的传播速度是相同的，所以地质雷达发出的电磁波在地下介质中的传播速度主要取决于介质中的相对介电常数。电磁波以短脉冲形式由地面向下入射，经反射回到地面，需时：

式中:Z——反射界面深度；v——介质中的传播速度。

再由:

式中：C=3×108m/s；

ε—介质的相对介电常数。

所以（7）式中的t和V已知，从而求出反射界面的深度Z[7-9]。

在现场操作时，利用一个发射天线将高频电磁波激发到要预报的围岩介质中，而用接收天线接收反射回来的信号。现在，探地雷达技术已经成为短距离的超前地质预报最重要的手段，由于其重演性高，可以比较准确地判断出30m范围内的不良地质体，如：溶洞、暗河、断层破碎带、节理裂隙发育区。其中探地雷达最大的优点就是对探测与洞穴有关的地质异常时特别敏感，从而可以有效地预报溶洞，也在一定程度上弥补了TSP对于小溶洞不灵敏的不足。

2.3 红外探水技术

红外探水法探测隐伏的含水构造或微含水构造，基本原理是不同地质体具有不同的热性质，能发射出不可见的红外场，这场的大小与物体的发射率成正比，而发射率的大小取决于物体的性质及其表面情况，简单说即水比岩石的热导率低。当隧道外围包括掌子面前方不含隐伏异常构造时，其红外发射场为一正常场，当隧道外围包括掘进前方存在隐伏的含水构造时，构造就要产生异常场，迭加到正常场以后，使正常场发生畸变，我们就可以从曲线的变化规律上分析出是否含有隐伏构造，从而实现隧道立体全方位的查找隐伏构造[10]。

3 工程预报实例

3.1 TSP超前地质预报系统

本次预报使用的是瑞士Amberg工程技术公司研制并已拥有专利的隧道地震探测仪器——TSP 203 plus。在龙潭靠近掌子面（ZK72+781）的右边墙上沿直线向洞口方向每隔1.5m布置一个深1.5m钻孔，下倾角度10～15O，共布设24个。 然后在ZK72+838处布置一个接收器孔，深度为1.95m。用自动测平仪和激光测距仪确定出各个激发孔具体的倾角、方位角、深度和间距，记录在案，这些是信号分析和处理所必需的。

在采集过程中采用瞬发电雷管引爆孔内微量炸药，并采用水封炮孔等方式，确保信息采集效果，其他仪器参数均取默认值，本着距离适中，保证精度的原则。预报范围：ZK72+781～ZK72＋650，共计131m。在输入相关激发孔和接收器孔的参数及炸药（乳化炸药）药量等参数后，经过TSPwin软件的地震波滤波计算后，发现ZK72+762附近有较强的负反射（如图1中的蓝色），表明此处围岩的岩性发生较大变化，而且在随后的42m范围内，反射面明显增多，且以负反射居多，表明围岩的节理裂隙较发育，完整性较差。再比较纵波和横波的提取图以及查看纵波和横波的速度比，可以看出此段范围内含水的可能性较大。综合考虑各个方面可以断定此处就是F2断层所在具体位置。从ZK72+720开始，有一强烈的红色正反射，再结合2D图、速度图、岩性图，可以发现此段围岩反射面较少且以正反射为主，速度较高，密度较大，泊松比较小，从上述分析可以看出，围岩在此处开始稍微变好，趋向于完整，但再向前总体来说，还是负反射较多，且较强，因此可以确定在ZK72+650之前隧道基本在断层影响带内。后经超前水平探孔和开挖得知，预报结果的误差在2m左右，实际开挖时，围岩在ZK72+761附近开始变差，并出现磨砾岩，与预报的地质情况基本吻合。

图1 TSP反射层提取图

3.2 探地雷达

在开挖过程中，直到ZK72+764附近（出口端由大里程向小里程掘进），隧道的围岩还是完整的碳酸盐岩，未曾出现一点破碎的迹象，考虑到碳酸盐岩是可溶性岩石和TSP的预报结果，因此不排除有溶洞的可能，为了施工安全，防止涌水和突泥的发生，决定采用探地雷达来对前方的围岩进行有针对性的超前地质预报。

信号采集在掌子面ZK72+764上进行，采用SIR-3000型地质雷达，其测线布置如图2所示。参数设置：时间域采样间隔1ns，时窗开至400ns，介电常数7.8，为了加大探测深度故配置了频率为100M的天线。通过对该测线进行连续4次的信号采集后，对探测所得的回波进行漂移去除、零线设定、背景去噪、增益、平衡和混波处理后，得到回波图，如图3所示。可以看出在3m深处，回波发生畸变，负反射开始急剧变大，表明围岩中开始出现空洞或者软质充填物。从3m处沿轴线延伸12m左右，负反射变化剧烈，表明围岩中出现不良地质体，而且形体巨大，横跨在掌子面前方。后经超前水平探孔和开挖得知，此段为一被硬塑黄泥和巨大孤石共同充填的特大充填型溶洞，预报情况与实际开挖情况基本吻合。

图2 雷达探测轨迹

图3 探地雷达回波图

3.3 红外探水

在做了雷达探测，对于前方的围岩情况有了一个比较详细的了解以后，项目部对掌子面继续进行掘进，在掘进到ZK72+761附近时，开始出现少量的黄色硬塑泥土，再向前开挖1m左右，黄色硬塑泥土几乎覆盖了掌子面，并偶有巨块的孤石包裹其中，重达20多t，孤石间存有面积为20cm2的空洞，伴有呼呼的风声和微弱的水声。考虑到TSP预报中，此段可能含水，且通过已开挖段的地质素描，结合目前掌子面情况，进行地质分析可以推断出前段可能存在隐伏的含水构造，为了防止突水涌泥灾害发生，项目部决定进行红外探水预测，从而对TSP和GPR结果进行验证对比。

仪器是煤炭科学院研制的HY-303型防爆红外探测仪。测点布设是从掌子面（ZK72+761）向洞口方向按左拱脚、左拱腰、拱顶、右拱腰、右拱脚的顺序进行测试，每个断面的测点布置如图4所示，每5m测取一组数据，共12个断面，总长60m，并绘制相应的辐射曲线，如图5所示，根据曲线的趋势判断前方有无含水。对比处理后的五条场强曲线，可以看出左边墙中部和左起拱线处场强值均有明显的降低，并结合TSP的含水预报，推断认为掌子面左前方可能存在隐伏的含水构造，后经水平钻探和现场开挖得知，在ZK72+757附近出现较大的流水，与预测情况完全吻合。

图4 红外线探轨迹

图5 红外线探水成果图

3.4 建议

通过这一工程案例的成功实施，三种无损探测方法各有优缺点，导致其适用性存在差异，在保证预报精度的前提下，从预报距离上来说，TSP的预报距离在100m左右，视围岩条件可以进行适当调整；地质雷达的探测距离一般在30m以内；红外探水的功能相对单一，预报距离也一般控制在20m以内，且不能准确确定位置。

在隧道施工过程中，建议全程采用TSP进行长距离预报，尽可能少的干扰施工基本作业，通过分析TSP预报结果，对隧道可能发生地质灾害的段落采用地质雷达进行针对性预报，对于可能存在地下水体的段落进行辅助性红外探水验证工作，从而尽可能地避免漏报、误报现象的发生，保证隧道超前地质预报的准确性。

4 结论

（1）超前地质预报都有其局限性，在实践过程中要结合具体的隧道和地质条件综合运用。

（2）TSP作为长距离预报手段，贯穿整个施工期的预报方法是比较可取的；地质雷达作为短距离、高精度的预报手段在潜在不良地质段具有较高的可信性；红外探水携带方便、操作简单可以对短距离内含水构造的存在与否做进一步的验证。

（3）预报过程中要对不同手段的局限性有清楚认识。TSP系统对于较小洞穴、沿轴线的顺层变化不敏感；雷达探测的距离较短，对探测位置平整度有较高要求；红外探水对于隧道内热源比较敏感，尤其是近掌子面的喷射混凝土。

（4）现场地质预报工作要从洞内与洞外两个环境、钻探与物探两个方法、长距离低精度与短距离高精度不同物探手段三个方面着手，倚重科学结合的物探手段，注重钻孔验证，避免地质灾害的发生。

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