曲谭山隧道超前地质预报方法

郑极新

福州大学土木工程学院（350108）

曲谭山隧道超前地质预报方法

郑极新

福州大学土木工程学院（350108）

根据福建省漳州至永安高速公路龙岩段曲谭山隧道超前地质预报采用的两种不同的物探方法，结合采集到的数据及图像进行分析，得出较为可靠的预报结果，用来引导施工。

隧道；地质预报；TGP

1 曲谭山隧道工程概况及地质条件

曲谭山隧道系福建省漳州至永安高速公路龙岩段中的重要性工程之一。隧道采用分离式双洞布置，左洞长919 m，右洞长932 m，隧道净宽10.25 m，净高5 m。隧址区属剥蚀丘陵地貌，隧道进出口段岩性为坡积土，碎块状强风化泥质粉砂岩，局部夹钙质粉砂岩；洞身段围岩为薄-厚层微风化泥质粉砂岩与钙质粉砂岩互通，为较软-较硬岩。隧址区处在4条节理裂隙密集带，但未见泥石流、采空区、岩溶、活动性断裂等不良地质作用。隧道最大埋深约145 m，进口端横断面左低右高，存在偏压；出口端坡向与洞轴线基本一致，无偏压。地下水主要为进、出口段坡积土层、风化岩层的孔隙裂隙水及洞身基岩裂隙水，水量较贫乏，雨季施工时水量较丰富。

2 隧道超前地质预报的目的及意义

超前地质预报是工程勘察工作的延续，是保证隧道施工安全、优化设计、实现施工信息化的重要基础。根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势和采用各种地球物理探测手段对隧道施工掌子面前方地质情况的探测结果,结合洞内外地质调查、掌子面素描结果和预报人员地质经验，对隧道前方可能遇到的不良地质体及由此可能引发的地质灾害的性质、分布位置、规模的预测，采取适当的技术手段，对隧道开挖前方地质构造等进行准确探测。

3 隧道超前地质预报的方法

3.1 工程地质分析法

工程地质分析法包括掌子面地质素描调查和地表地质补充勘察两种方法。地质素描主要是对隧道掌子面的地层岩性，地质构造，结构面产状，地下水出露点位置及出水状态、出水量如实而准确的记录，是超前地质预报的基本依据和判断围岩类别的最直接的资料，也是用以推断掌子面进深方向围岩状况的主要参照物和地质状况的边界条件。

3.2 电磁波反射法

电磁波反射法是利用高频脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理探测技术。通过地质雷达的发射天线向隧道前方拟测地层定向发射高频脉冲电磁波，电磁波在传播途中遇到物性不同的介质界面或目标体(如节理、裂隙、断层、地下水等)即发生反射和透射。反射波信号由接收天线接收后,直接传输到接收机，在接收机经过叠加、滤波、整形和放大等处理后，经电缆传输到雷达主机,经过信号处理就可用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数。

3.3 地震波反射法

地震波反射法的原理是地震波在岩体传播过程中，在声阻抗界面会产生地震反射波，利用仪器设备采集隧道岩体中地震波传播的信息，通过专业处理系统提取回波的界面位置、空间分布、回波极性和回波能量等信息，并结合隧道地质勘察资料综合分析,实现对隧道前方地质情况的预测，达到地质超前预报的目的。

4 曲谭山隧道掌子面ZK118+018断面的超前地质预报

以曲谭山隧道左线进口掌子面桩号ZK118+ 018为例，采用地质分析结合电磁波反射法和地震波反射法两种物探方法，对相同预报段进行分析比较，得出较为可靠的预报结果。

电磁波探测法选用瑞典MALA地球科学公司生产的RAMAC CUII型探地雷达（GRP）。探测时使用发射频率为100 MHz的屏蔽天线，样点数设为1 265，时窗为1 100 ns，采样频率1 100 MHz，以点测方式采集数据。

地震波反射法采用TGP206A地质超前预报系统。激发孔选择在构造界面与隧道夹角小的一侧洞壁，离掌子面5米，高度1.2米，以2米间距连续布置24个；之后退30米在隧道左右洞壁的相同里程各布置一个接收孔。炸药激震的同步信号采取开路触发方式，接收探头采用定向工具安装和采用黄油直接耦合钻孔壁。

4.1 曲谭山隧道掌子面ZK118+018断面地质条件分析

曲谭山隧道掌子面ZK118+018地质出露的情况为黄褐色的微～弱风化泥质粉砂岩，节理、裂隙发育，散体结构，岩质软，有个别掉块情况；锤击声哑，无回弹；掌子面潮湿。

4.2 曲谭山隧道掌子面ZK118+018断面超前地质预报分析

曲谭山隧道掌子面ZK118+018断面采用电磁波探测法（GPR）采集的地质雷达波图像如图1所示。采用地震波探测法（TGP）采集到的同侧波形三分量记录图、同侧波绕射图和预测波速及见面图如图2、图3和图4所示。两种方法的预报分析表如表1所示。

图1 经滤波处理后的雷达波形图

图2 TGP地震波同侧波形三分量记录图

图3 TGP地震波同侧波绕射图

图4 TGP地震波预测波速及界面图

5 结论

1）电磁波探测法探测的有效距离为30 m，实际情况根据雷达的探测能力略有波动；在有效范围内探测的预报结论与实际地质情况较吻合。

2）地震波探测法探测的有效距离为100～150 m,预报距离长，时间短，且对施工的干扰较小，推断出前方的断层和岩石破碎带等不良地质体的位置、规模、产状和岩石动力参数也较准确。

3）结合电磁波探测法和地震波探测法的预报结果，推断出曲谭山隧道掌子面ZK118+018断面前方围岩以微、弱风化泥质粉砂岩为主，节理、裂隙发育，散体结构为主，且岩质大部较软，围岩级别为Ⅴ级。在前方30 m的范围内，有相对软弱破碎带或节理密集蚀变带存在，含一定量的地下水。

4）超前地质预报属于物探方法，但物探方法的应用受到环境及经验的影响，准确解译物探资料具有一定的技术难度，一方面要求预报人员具有丰富的解译经验，另一方面要求预报人员具有丰富的地质实践经验。

表1 曲谭山隧道ZK118+018掌子面采用不同超前地质预报方法分析表

[1]JJ 7-2007,城市工程地球物理探测规范[S].北京:中华人名共和国建设部,2007.

[2]吴从师，阳军生.隧道施工监控量测与超前地质预报[M].北京:人民交通出版社,2012.

[3]叶英.隧道施工超前地质预报[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[4]姚姚.地震波场与地震勘探[M].北京:地质出版社,2006.

[5]杨峰,彭苏萍.地质雷达探测原理与方法研究[M].北京:科学出版社,2010.

图3 “回”形降温管平面示意

4 结论

大体积混凝土结构的施工技术与措施直接关系到混凝土结构的使用性能，若不能很好地了解大体积混凝土结构开裂的原因，掌握应对此类问题所采取的相应施工措施，那么实际生产当中就很难保证施工质量。在大体积混凝土施工中，只要在选材、配合比、拌制、振捣及养护等各施工环节中细化管理，环环把好质量关，就一定能避免大体积混凝土施工中遇到的各种裂缝，确保工程质量。