隧道施工中“长短结合”地质预报

2014-03-26徐光铭徐新川

长春工业大学学报 2014年2期

徐光铭，徐新川

（吉林大学建设工程学院，吉林长春 130021）

0 引言

隧道工程是一项非常复杂的项目，由于地质条件的多样性和复杂性，在施工建设中不可避免地会出现各种各样的地质灾害，例如断层、突水、突泥、塌方等。这些灾害的发生不仅延误了工程进展，更给社会、国家和人民造成了巨大的影响和损失。正是由于这些原因的存在，隧道的地质超前预报工作越来越受到设计单位和施工单位的重视，它能准确预报掌子面前方一定距离的地质情况，为应对可能出现的前期探测未发现的地质灾害做好准备工作，以防止安全事故的发生。此外，超前地质预报工作还可以为设计单位做设计变更提供必要的资料。因此，超前地质预报工作对隧道工程而言是一项非常重要和必须的工作，应该得到大家的重视。

1 国内外常用的隧道超前地质预报方法

隧道超前地质预报的方法很多，大致分为物探方法、地质方法和化探方法。物探方法包括TSP法、TRT法和地质雷达法等；地质方法包括掌子面超前钻孔法和掌子面地质编录法等；化探方法包括对断层的二氧化碳、氡气、汞蒸汽等化学气体的探测。其中，TSP法和地质雷达法是比较常用的两种方法［1］。

TSP（Tunnel Seismic Prediction ahead），即隧道地震波超前预报，是一种在国内外都比较先进的地质预报方法，它的一次预报距离比较长，最多可达到150 m，适用于几乎全部类型地质条件的隧道检测。而且现场检测所花费的时间较短，对隧道施工的影响较小，费用也相对较低［2］。通过TSD软件的处理，可以得到深度偏移剖面图、岩石物理力学参数及纵横波的波速图等。通过对这些图像进行深入分析，再结合现场观察情况，可以对掌子面前方一定距离内的围岩等级、地质状况等有一个比较准确的预报。不过，在实际应用过程中，TSP法的许多问题也是显而易见的，其中，一个比较突出的问题就是对一些不良地质情况的判断，主要是根据技术专业人员的多年实测经验，而这方面的明确指标很难制定。

地质雷达法一次预报距离较短，但在现场人员的积极配合下，它所花费的时间比TSP法要明显缩短，而且它对溶洞和水比较敏感，在隧道开挖过程中，可以实现全过程的跟踪预报。地质雷达最初是在国外开始流行使用的，他们对这方面的现场操作、数据处理和图像分析的经验比较丰富，使得地质雷达在隧道工程中的应用比较普遍。而国内对地质雷达的引进使用比较晚，对它的认识还不全面。

综上所述，TSP法和地质雷达法在隧道超前地质预报中都有各自的优势和不足之处，在隧道超前地质预报中单一的采用任何一种方法，预测结果都会存在一些偏差。为充分利用两种方法的优势，文中提出在地质超前预报工作中采用“长短结合”的预报方法，即TSP法和地质雷达法相结合。

2 方法原理介绍

2.1 TSP法

TSP超前地质预报系统主要由3部分组成：TSP主机、接收器和引爆器。它运用的是地震波的回波测量原理［3］，如图1所示。

图1 TSP法工作原理示意图

地震波波源采用微量乳化炸药激发产生，大致为50 g，可根据具体地质条件适当增减。通常在隧道的一侧边墙直线布置24个炮孔，第一个炮孔距离掌子面大约5 m左右，每个炮孔间距1.5 m，深1.5 m，高1 m，最后一个炮孔距离接收孔20 m。接收孔要求深2 m，高1 m，用于接收器的安放。爆破产生的地震波在岩石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，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的接收器接收。反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正比，故而能提供一种直接的测量。

2.2 地质雷达法

地质雷达与对空雷达的原理十分相似，都是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术［4］。其工作原理如图2所示。

图2 地质雷达工作原理图

通过发射天线向掌子面前方发射高频电磁脉冲信号，在电磁波向前传播的过程中，当遇到空洞、裂隙、岩溶、富含水等电性差异的目标体时，电磁波便会反射回来，并由接收天线接收记录反射时间t［5］。

地质雷达探测原始剖面上含有较多的干扰波存在，主要为侧面反射波、多次波及因掌子面凹凸不平形成的局部振荡干扰［6］。为了消除干扰信号，突出掌子面前方的有效信号，对原始探测剖面采取了去直流漂移、自动增益控制、抽取平均道、带通滤波等处理，最后根据电磁波在围岩中的传播速度计算异常体的存在范围［7］。

3 工程实践

正在修建的山东省某城市环城路隧道，隧道采用双向六车道山岭隧道形式，左线（桩号ZK1＋149～ZK2＋299）长1 150 m，右线（桩号YK1＋152～YK2＋300）长1 148 m。隧址区属低山丘陵、剥蚀残丘地貌，山体植被发育，沿线有薄层第四系松散堆积物覆盖，地段基岩裸露，出露岩层为奥陶系下统马家沟组灰岩。沿线地下水类型主要为四系松散堆积孔隙水和石灰岩岩溶裂隙水。为探明隧道前进方向的地质灾害情况，在施工单位的要求下，采取了“长短结合”的超前地质预报技术，取得了比较好的效果，为隧道施工提供了可靠的参考依据。

下面以左线的一段ZK1＋209～ZK1＋299为例。先看一下用TSP法探测的地质情况，图中方框部分为反射异常区域，如图3所示。

图3 TSP深度偏移图

预测范围内地质情况见表1。

表1 TSP预测地质情况表

从图3结果来看，前方地质情况比较复杂，波速相对较低，围岩等级比较差。推断在掌子面前方90 m范围内，围岩等级为Ⅴ级，岩体比较破碎，稳定性差，且掌子面前方63 m（桩号ZK1＋272）附近有一个比较明显的弱反射带，波速下降明显，推断可能为一碎石夹层。为了确保施工安全性，当开挖至桩号ZK1＋261时，用地质雷达又做了一次预测试验，探测结果如图4所示。

结合掌子面的地质情况和施工图纸，预测在桩号ZK1＋271附近有一个碎石夹层，与TSP预测结果基本吻合。实际的开挖结果证明了预测的准确性，确实是一碎石夹层。