综合超前地质预报技术在巴朗山隧道施工中的应用

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(1．西华大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610039；2．四川建筑科学研究院，四川 成都 610081)

限于目前的地质勘探水平，若要在深埋特长隧道的勘察阶段就准确无误地查明其工程岩体的状态、特征以及可能发生地质灾害的不良地质体的位置、规模和性质是极其困难的。这些问题的解决，都必须依靠施工中展开的超前地质预报工作。隧道施工超前地质预报方法历经几十年的发展，已经由单一的地质分析预报阶段发展到地质分析结合多种地球物理探测的综合预报阶段，并取得了许多成功的案例[1-2]，但其组合方式、适宜性和实用性还值得进一步研究。如在铜锣山隧道，李天斌等[3]建立了综合预报工作体系和组织机构及模糊神经网络综合预报模式，并在实际应用中得到了80%的准确率，确保了隧道的施工安全；但模糊神经网络需要收集大量的相关数据，当有现场情况超过所收集数据范围时，预报效果则较差。在长乐山隧道，刘国等[4]在隧道采用了岩溶地质定性预测+地震波法探测+地质雷达探测的超前预报模式，同样取得了良好的效果；但此组合模式只是针对岩溶一种地质灾害，对其他地质灾害的预报效果还值得研究。在大瑶山公路隧道，赵文轲等[5]采用了TGP 法+地质雷达法( GPR法)+瞬变电磁法( TEM法) 的超前预报模式，也得到了较好的应用效果；但此预报采用长短预报结合的模式，缺乏针对隧道局部需要的精确方法。目前在我国用于隧道综合超前地质预报的单一方法主要有隧道地震超前预报系统(TSP)、水平声波剖面法(HSP)、陆地声纳法、探地雷达法、瞬变电磁法、超前钻孔法和超前平导法等几种[6]，国外较先进的方法(如美国的TRT隧道反射层析成像技术和德国的BEAM隧道电法超前探测技术等)鲜见在我国的隧道施工综合超前地质预报中应用。

根据当前各种超前预报的应用情况可知，每种方法各有局限性和缺点，于是有必要提出一种相对完善和易于推广的综合预报模式。

1 隧道工程概况及工程地质、水文条件

1.1 工程概况

省道303线是阿坝州公路网主骨架之一，路线起于阿坝州汶川县映秀镇，经卧龙、穿越巴朗山，过小金县、丹巴县，止于道孚县八美镇。目前，正在开展灾后恢复重建工作，其中巴朗山隧道工程位于四川省阿坝藏族羌族自治州南部小金县以东的小金、汶川、宝兴三县交界处，起止点与省道303线相连，起于S303线K97+730，设计高程3 849.79 m。止于S303线K125+760(隧道主洞桩号K107+134)，设计高程3 849.28 m。项目全长7.954 km，其中车行平导洞长7.955 km，最大埋深871 m。

1.2 地质条件

隧址区的地层岩性主要有新生界第四系全新统崩坡积、坡洪积块、碎石土，冰碛、冰水堆积层块碎石夹泥砂，以及中生界三迭系变质砂岩、板岩等。测区褶皱强烈，岩石受构造影响严重，节理、裂隙发育，岩层产状多变，岩体的破碎程度因岩性、抗风化能力及所处构造部位的不同亦不相同：板岩及褶皱轴部，节理、裂隙发育，岩体破碎～较破碎，呈碎块状～碎石状；砂岩，节理较发育，厚层砂岩呈块状结构，中、薄层砂岩呈镶嵌碎裂状结构，岩体较完整～较破碎。

1.3 水文条件

场地地下水类型有主要以潜水或上层滞水形式赋存于第四系松散土体孔隙中的孔隙水和主要赋存于基岩风化裂隙、构造裂隙中的基岩裂隙水2大类。隧道区域内，地下水循环交替较强烈，主要接受降水和冰雪融水补给，对混凝土结构无明显腐蚀性。

通过对隧道工程的地质条件及施工中可能存在的工程地质问题进行分析，本隧道工程施工地质超前预报的重点为隧道进出口端的危岩和强风化结构松散砂岩夹板岩等问题。地质预报的难点是断层破碎带和地下水超前预报。

2 现场地质预报方案及设备

2.1 TSP法

TSP技术进行预报时采用TGP206(tunnel geology prediction )隧道地质超前预报系统。工作中对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进行地质描述，以利于资料解释。采集的TSP数据，通过TGPWin2.1软件进行处理获得P波、SH波、SV波的时间剖面、相关偏移归位剖面等成果。在成果分析中：以P波、SH波、SV波的原始记录分析测段岩体的地质条件；以相关偏移归位剖面预报前方岩体地质条件，预报分析推断以P波剖面资料为主，结合横波资料综合解释。解释中遵循以下准则：1) 若S波反射较P波强，则表明岩层含水；2)左右洞壁对比，以激发和接收在同一侧的资料为主；3) 纵横波资料对比，以纵波资料为主。

2.2 地质雷达探测法

采用美国SIR-20地质雷达探测时，天线紧贴掌子面移动，发射天线向岩土体内部连续发射脉冲电磁波，在岩土介质中传播的电磁波，遇到不良地质体界面将产生反射波，接收天线接收反射波并通过主机记录下反射波到达接收天线的时间及录下回波的振幅、相位、频率变化特征。每次接收的记录组成了地质雷达时间剖面图像。横坐标为天线在掌子面测线上的位置，纵坐标为雷达脉冲从发射天线出发经各界面反射回到接收天线的双程走时。这种记录能准确地反映掌子面前方被测物体各个反射面的起伏变化。针对隧道环境差的特点，可重复测量，并可以用连续测量与点测相结合的方式。

2.3 超前水平钻孔法

采用QZJ100B型潜孔钻机，钻孔孔径φ65 mm。超前水平钻孔法在掌子面上用水平钻孔打数十米的超前取芯探孔，根据钻孔资料来推断隧道前方的地质情况。钻孔数量、角度及钻孔深度可人为设计和控制。根据钻取的岩芯状况、钻井速度和难易程度(钻速、钻头压力、转动力矩)、循环水质(颜色、浓度)、涌水情况及相关试验，获得精度很高的综合柱状图，获取隧道掌子面前方岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及地下水状况等诸多方面的直接资料，可预报孔深范围内的地质状况。

2.4 3种方法的优缺点

TSP法能有效地反映大型断层构造，预报距离长，占用开挖时间少，基本不影响施工，但对地下水和岩溶反映不明显，费时费用高；地质雷达法能有效探测掌子面前方的岩溶，费用低，但费时费力，预测距离较短，影响因素较多，准确性差；超前钻孔法对地下水和岩溶构造等地质情况判断最直观可靠，操作简单易行，费用低，但预测距离短，占用掌子面，对施工影响大。

3 综合超前地质预报结果分析与对比

3.1 TSP探测

对巴朗山隧道导洞进口端PK99+315～PK99+435范围段检测时，在PK99+246里程处左右两侧洞壁风钻孔中布置预报接收检波器，接收孔距掌子面69 m，激发炮孔在左壁的里程为PK99+266～PK99+312。在隧道左壁的同一水平线上从里向外布置24个炮孔，炮孔间距2 m，炮孔高度1 m；与接收孔的最近距离为20 m。检测段围岩在PK99+246～PK99+315段，纵波速度(vP)为2 010 m/s；横波速度(vS)为1 630 m/s；动泊松比为0.246。弹性模量为14 949 MPa，剪切模量为5 997 MPa。该检测段的地质构造偏移成像和波速衰减处理成果见图1、图2。经过分析得到的探测结果见表1。

图1 地质构造偏移成像

图2 波速衰减处理成果图

3.2 地质雷达探测

对巴朗山隧道导洞进口端PK99+353～PK99+383范围段，采用美国SIR-20地质雷达对掌子面前方围岩进行隧道超前地质预报，系统设置完毕后即可进行数据采集工作。本次测量掌子面前方的地质情况，使用中心频率为100 MHz的天线。

按照前述工作准备完毕后，将天线贴在掌子面，按预先布置好的测线多次扫描，取其中效果较好的图像进行处理、分析。根据此次在巴朗山隧道预报情况，对该段SIR-20采集里程的雷达图像处理分析后得到雷达波形图(如图3所示)。地质雷达预报结果见表2。

表2 PK99+353～PK99+383之间的地质雷达预报结果

图3 PK99+353～PK99+383段雷达波形图

3.3 超前水平钻孔探测

原计划在隧道平导掌子面布设3个水平钻孔，但由于掌子面围岩坍塌严重，影响到钻机设备的安装及操作，后改在隧道进口端平导掌子面PK99+343左右两侧边墙各布设了2个钻孔(如图4所示)，钻孔孔位及钻孔夹角见表3，探测前方40 m水文地质及工程地质情况。

(a)左侧边墙孔位 (b)右侧边墙孔位

孔号桩号孔位距仰拱/m夹角与水平面/(°)与隧道中线钻孔深度/m1PK99+343.6770.8545°57'32″152PK99+345.4321.1342°14'5″333PK99+344.4421.1547°20'21″134PK99+343.7180.6347°11'4″17

在钻进过程中，钻孔1、2、3、4前方均有裂隙水涌出，其中钻孔2、3涌水量高，呈粗股状，存在一定压力，钻孔1、4裂隙涌水呈细股状。钻孔1、2、3、4的记录表明掌子面前方30 m范围内的围岩为块状深灰色、黑色板岩，围岩倾斜状产出；围岩节理发育，围岩破碎；掌子面前方下部，有股状水涌出，前方有大量裂隙水富集。

3.4 预测成果与地勘、开挖揭露对比

地质勘察资料表明：巴朗山进口端平导PK99+315～PK99+320区段，围岩为强～中风化砂岩板岩互层，软硬相间，褶皱发育，节理发育，岩体破碎，呈碎裂结构，层间结合差。开挖后围岩易坍塌，地下水以淋雨状、股状为主，围岩自稳能力差，围岩等级V级。PK99+320～PK99+435区段，围岩为砂岩夹板岩，节理较发育，层间闭合较差，中～厚层状夹薄层状构造，岩体较完整，但局部有揉皱和层间错动现象，岩质软硬不均，洞顶有掉块现象，两侧壁较稳定。地下水以点状渗出为主，局部有细股状水流，围岩等级Ⅲ级。

TSP预测结果表明： PK99+315～PK99+435区段围岩节理裂隙发育与地质勘察资料中相同，PK99+320～PK99+435区段岩体破碎或局部破碎，岩体破碎情况随隧道开挖会有好转趋势，前方PK99+360附近含有大量裂隙水。结合工程地质资料和预测分析重新核定了原详勘阶段划分为Ⅲ级的围岩，将该区段围岩从Ⅲ级改为Ⅳ级。

地质雷达探测结果表明：PK99+353～PK99+383区段岩层完整性较差，局部区域破碎，前段含水量大，中段中等富水。此结果验证了TSP预测结果中岩体破碎和裂隙水的存在情况。结合工程地质资料和预测分析重新核定了最新划分为Ⅳ级的围岩，将该区段围岩从Ⅳ级改为Ⅴ级。

超前水平钻孔结果表明：平导PK99+343～PK99+376的区段，围岩较设计差，水的发育程度较设计高，根据掌子面的工程地质情况和水文地质情况，验证了TSP和地质雷达的大部分探测结果，同时排除了岩溶的存在。

开挖揭露情况：巴朗山进口平导掌子面PK99+343段附近掌子面围岩为深灰色、黑色板岩，岩质软，块状结构，倾斜产状(倾角53°)。掌子面节理发育，围岩破碎。掌子面下部距仰拱1 m处有多处股状涌水，此处掌子面坍塌严重，将工作台车部分掩埋。好在根据地质勘察资料和TSP预报结果做好了此区段的预警，施工人员得以及时撤出，避免了人员伤亡事故的发生，但同时也警示施工时对已经预报出的破碎围岩段要加强初期支护、进行超前支护或注浆加固等来保证施工安全。掌子面PK99+352前方，围岩为砂岩夹板岩，节理较发育，层间闭合较差，中～厚层状夹薄层状构造，岩体较破碎，但局部有揉皱和层间错动现象，岩质软硬不均，洞顶有掉块现象，两侧壁较稳定，地下水为股状喷涌水流。此段验证了超前水平钻孔结果中围岩和地下水状况，并且此处加快了初期支护的施工速度，防止洞顶坍塌。

4 结论

1)单一超前地质预报方法都存在一定的局限性，预报结果无法满足隧道施工安全的要求，运用前期已探明的地质水文资料进行定性预测，并结合不同物探方法的优点，使施工超前地质预报更有针对性，能提高超前地质预报的准确率，降低其对施工的干扰。

2)通过以工程地质综合分析为核心，坚持粗查与精查相结合，物探与钻探相结合的综合预报原则，并结合前期地勘成果及地质调查资料综合判定，为综合超前地质预报提供了一种较为完善的预报模式。

3)将TSP+地质雷达+超前钻孔法3种超前地质预报方法有机结合，对巴朗山隧道进口段进行超前地质预报，取得了良好的效果，确保了隧道施工安全。

4)鉴于目前国内综合超前地质预报的组合模式，笔者建议引进国外较先进的预报方法和新型仪器设备与目前国内已有的方法和仪器组合，以提高我国综合超前地质预报结果的准确率。

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