超前地质预报在水下隧道中的应用

汪宏兵 郑扬硕

摘要：隧道施工多存在地质条件复杂，施工安全风险高，常常出现突水、突泥、岩层破碎、掉块等现象，为保证隧道的顺利施工，避免危险因素的发生，确保隧道施工安全，需要采取有效措施对水下隧道地质情况进行较为准确的预测预报，根据隧道的具体情况，判定超前地质预报内容并纳入工序管理之中。好溪水下隧道通过对地质素描、TGP超前地质预报、超前钻探和红外探水等方法的应用，对预报中的不良地层提早采取措施，从而有效的降低施工风险，加快施工进度，确保隧道安全、顺利的贯通。

关键字：超前地质预报、水下隧道、不良地层、施工安全

中图分类号： U45 文献标识码： A

0.引言

隧道施工中往往会面临地质条件复杂多变，盲目施工易造成突水、突泥和塌方等安全事故。所以，在隧道施工中要及时进行超前地质预报工作，对不良地层采取有效措施。准确而有效的超前地质预报工作，不仅可以安全顺利通过不良地层，而且节省大量成本，加快施工进度，在隧道施工中应用越来越广泛。

根据好溪隧道地质勘查资料，考虑到水下穿越隧道存在重大安全隐患，故对其采用地质素描、TGP超前地质预报、超前钻探和红外探水等预报方法，旨在确保好溪水下隧道安全、顺利贯通。

1.工程概况

金丽温输气管道起自与西二线上海支干线金华分输清管站毗邻建设的金华首站，途经浙江省金华市、丽水市，终止于温州市甬台温输气管道温州末站。好溪隧道为金丽温输气管道管工程隧道工程B标段唯一一条水下穿越隧道，全长1325米，其中：斜巷（481.67m,-20.0%）+25m平巷+斜巷（119.52m,-20.0%）+平巷（186.80m，+0.5%）+平巷(118.6m,-0.5%) +斜巷（384.72m,+20.0%）。隧道将穿越好溪约260米，根据物探判断可能存在节理裂隙密集带F1，破碎带结构面杂乱无序，呈碎石、泥土状，岩体极破碎，呈散体状结构，碎石角砾状结构。硐室自稳能力较差。节理裂隙带地下水发育，开挖时隧道内可能出现较大规模涌水。施工过程中采用地质素描、TGP超前地质预报、超前钻探和红外探水等方法对其进行预测分析。

2.地质素描

地质素描预测法分为岩层岩性及层位预测法、条带状不良地质体影响隧道长度预测法以及不规则地质体影响隧道长度预测法三种。

对开挖后已揭露出的岩层进行地质素描（观察岩石的矿物成分及其含量，结构构造特征和特殊标志），给予准确定名，测量岩层产状和厚度。测量该岩层距离已揭露的标志性岩层或界面的距离，并计算其垂直层面的厚度。将该岩层与地表实测地层剖面图和地层柱状图相比，确定其在地表地层（岩层）层序中的位置和层位。依据实测地层剖面图和地层柱状图的岩层层序，结合TGP探测成果，反复比较分析，最终推断出掌子面前方一定范围内即将出现的不良地质在隧道中的位置和规模。

施工过程中，每月一次由地质工程师对开挖揭露的隧道岩层进行地质素描，内容包括掌子面正面及侧面稳定状态、岩层产状、岩性风化程度、节理裂隙发育程度（产状、间距、长度、充填物、数量）、喷射混凝土开裂、掉块现象、涌水情况、水质情况、水的影响、不良气体浓度等。同时定期对地表水文环境进行观测和监测记录，及时了解隧道施工对地表水的影响，确定施工控制措施，最终做出掌子面地质素描图和洞身地质展示图。（如图一）

图1编录图

3.TGP超前地质预报

隧道地震波超前预报原理是利用地震反射波和绕射波原理，对隧道掌子面前方的地质条件进行探测。由震源产生的地震波向隧道前方传播的过程中，遇到岩体中相对大的声阻抗界面会产生反射波，遇到相对小的声阻抗界面会产生绕射波，统称为地震回波。利用设备采集隧道围岩中界面的地震回波，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，实现隧道地质超前预报目的。

现场需要采用三分量检波器实现空间地震回波的矢量检测和纵横波采集，保证处理系统利用多波多分量进行全波震相分析和极化波计算，获得2维和3维空间的偏移归位图、断面扫描图，获得界面回波位置和界面空间分布，以及界面间岩体性质等预报资料。

数据采集工作包括：激发孔和接收孔的布置、药卷同步信号制作、洞内基础数据的采集、接收探头安装和仪器采集参数设置5个内容。

①激发孔和接收孔的布置：激发孔的孔径为42mm，选择在构造界面与隧道夹角小的一侧洞壁，离掌子面5～10米开始，高度1.2米左右，以2米间距连续布置18个。之后退20米在隧道左右洞壁的相同里程各布置一个孔径为50mm的接收孔。接收孔与激发孔深度为2米，接收孔为水平孔，激发孔略向下倾以方便注水。

②药卷同步信号制作：炸药激震的同步信号采取开路触发方式，即爆炸的同时触发仪器采集，保证地震波信号的时间精度。药量控制在100克，各孔药量一致，采用导爆管连接，同时把导线绑扎在炸药上。

③洞内基础数据的采集：需要对提前施工好的各个孔位进行量测，得出需要用到的基础数据，并按要求对其验收。同时详细记录岩体的工程地质和水文地质特征，认真填写《TGP现场数据记录表》。

④接收探头及炸药安装：提前准备好的黄油放入接收孔内，再把接收探头采用定向工具捅入孔内，与黄油充分耦合，有利于提高接收信号的信噪比。

⑤仪器采集参数设置：根据现场采集的数据对仪器进行基础设置，待完毕后进行试验。见图2、图3。

图2 TGP仪器

图3 TGP超前地质预报现场工作示意图

通过以上数据采集步奏，经过逐个爆破后接收探头接收数据存入电脑，依据处理软件对其进行有效、准确的数据处理，从而得出掌子面前方150米范围内存在的不良地层，并结合其他预报手段，为施工提供超前预报资料，做到规避风险，提高效益。以下是好溪隧道测得的数据（如图4、图5、图6）

图4 原始记录

图5 综合成果图 图6 切片图

该段预测桩号为K0+620～K0+770，从数据分析可以得出，桩号在K0+646～K0+671，K0+678～K0+694，K0+706～K0+770范围内比速度明显下降，较之已开挖揭露的围岩明显变差，可能存在局部渗漏水现象，围岩破碎，可能存在较大断层，需要对这三段围岩进行必要的临时支护。所以，在实际施工中我们对该段围岩尤为重视，以此结果来指导施工。

然而，从实际开挖揭露的围岩情况看，基本与TGP预报结果相符合，可以看出预报结果较为准确，对指导施工具有重要意义。

4.红外探水

超前地质预报中地质素描和TGP超前地质预报对隧道施工含水体的探测存在不足，而好溪水下隧道的其中一项重大危险源便是水。所以，在此隧道施工时，有必要采取红外探水的预测方法对隧道洞身进行含水体的探测，从而能提前做好施工安排，降低安全风险。

因为地下的岩体、水体每时每刻都在向外界发射红外波段的电磁波，形成红外辐射场，而物体的红外辐射能量与其温度的四次方成正比，当探测前方存在不良地质情况（断层水、岩溶水）时，其与周边岩石的温度有一定的差异，所以红外探测仪就是根据红外辐射能量的差异来推断前方不良地质体的情况。因此通过对采集到的红外场强度数据进行分析，就可以全面准确预报隧道前方的不良地质体，尤其是含水体。

红外探水通常采用两种方法：①在掌子面上布点，通常布置4行5列探点，计算出每一行和每一列中任意两数值间的最大差值，正常辐射场的安全值可通过多次探测确定，当最大值超出安全值范围时，说明前方存在灾害源（如图7）。②由掌子面向隧道已开挖部分的边墙、拱顶和底部布点。在掌子面的后方已开挖的边墙、拱顶和底部，岩隧道轴线方向布设点距为5m左右4-6条侧线，测线长度30m以上，然后将所测数据绘图，判断掌子面前方地质信息（如图8）。

图7图8

针对上述两种方法进行隧道内数据进行采集，通过获得的数据进行详细分析，并绘制相应图表、曲线从而得出需要的预报结果。红外探水旨在隧道前方预测是否含有水体，以此来对实际施工提出警示，从而采取相应安全措施以保证施工安全，同时体用超前钻探的方法来对其进行印证。以下为好溪隧道红外探水所得的结果（如图8、9、10）。

图8 红外探水仪

图9掌子面红外探测曲线图图10沿轴线方向红外探测曲线图

表1 探测结果与实际情况对照表

预报桩号 探测情况 实际情况

K0+170～k0+190 最小数值在起拱以下，差值达到13Trad。结合地质报告K0+180附近有断层，推测前方可能有含水构造。 在K0+185钻孔时，有压水从孔内喷射而出，水量达到15~20m³/h。

K0+180～K0+210 最小值在起拱上上部，差值达到12Trad。结合地质报告关于断层的产状分析，渗水随着掌子面开挖而移动。 在开挖过程中，渗水随着掌子面移动，一直到K0+200才固定在K0+205附近。

通过对红外探水所获得的数据进行分析比较，推测得出K0+180附近有断层，可能有含水构造，与实际开挖中所以到的渗水位置相对应，从而说明红外探水对隧道掌子面前方是否含水基本能准确探明，对实际施工具有指导意义，需要在以后施工中加入正常施工工艺中，以提高隧道施工安全性。

5.超前钻探

地质素描、TGP超前地质预报和红外探水均是对隧道地质情况的一种预测，并非实际准确情况，仅仅能为施工提供一种参考作用，而采用超前探孔进行隧道施工期掌子面前方地质预报是隧道施工期地质超前预报方法中最直接的方法。其通过钻孔钻进速度测试和所采取的钻孔岩芯的观察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石(体)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。可以对以上三种方法预报的不良地层进行复核、检验。从而为施工提供真实、可靠的技术支撑。

在好溪隧道钻孔超前探测中，钻孔孔径为100mm，钻孔深度达到20～30米，工作时间大概在3小时左右，准确探测前方围岩的地址情况。对预报分析中存在的不确定因素进行详细探测，直接揭示掌子面前方地层情况。同时在施工过程中可以采用长短钻孔相结合的方式进行探测，根据预报及探测的结果，分析判定圍岩的级别，决定是否采取预注浆或超前支护、加强支护等措施。也可近距离超前探测，即加深炮眼深度，利用一两个5米深度的炮眼来探测短距离的地质情况。

6.结论

水下隧道施工，最怕的便是地层条件不好导致的涌水。所以，在施工过程中进行超前地质预报成为了至关重要的一个环节。然而进行单一的一种预报手段往往还不能得到想要的成果，都存在着某一方面的短板，如TGP超前地质预报不能预报含水层，红外探水预报的位置不准确并且距离短，地质素描人为因素影响较大等等。所以，在水下隧道施工中，应尽量使用多种预报手段对地质情况进行观测，从而降低地质情况不好所产生的安全风险。

所以，在进行好溪水下穿越隧道爆破开挖过程中，使用了地质素描、TGP超前地质预报、超前钻探和红外探水等4中预报手段对地质情况进行预报分析，得到了准确而详实的地质情况报告，从而成功穿越了多条断层和漏水地段，使得过江过程安全、平稳。保证了好溪隧道安全顺利的贯通。

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