地质超前预报在隧道施工中的应用及重要性

摘 要：国民经济的飞速发展向基础设施建设提出了新的要求。目前，我国加大基础设施建设力度，而隧道工程也是设施建设的重要组成部分，其在山区路网交通工程中起着至关重要的作用。由于受各种条件限制，隧道在前期设计勘察的时候往往不能完全真实地反映出地质情况，这就可能给施工带来一定的安全问题，因此，做好隧道施工前的地质超前预报非常有必要。文章中，筆者将会对地质超前预报的一个重要工具—地质雷达进行系统的介绍与分析，为提高隧道施工的安全提供若干参考建议。

关键词：罗圈背隧道；地质超前预报；电磁波反射法；预报结果论证

公路施工过程往往要遇到一些断面、埋深以及长度都较大的隧道。这些隧道在进行施工的时候，一般难以准确掌握其随深度变化的次级断层、含水体、岩溶及瓦斯等因素特性，这加加大了施工的难度，甚至会造成灾难性后果。因此，要在隧道开挖前进行精确的地质构造探测，突破传统的探测手段，引进先进探测技术尤为重要。下文，笔者将以某高速公路罗的圈背隧道为实例，对超前地质预报在实际施工中的应用及意义进行分析。

一、地质超前预报方法

（一）工程地质分析法

1.工程地质原理。构造地质、岩石力学、水文地质以及工程地质学为工程地质分析法提供了理论基础和地质体的投射技术，将隧道所体现的地质构造、构造面产状、地层岩性、地下水的出露点位置以及出水情况、出水量等进行准确、详细的记录，并绘制成图表，参考已有的勘测资料，对隧道开挖前的地质条件进行预测预报。

2.工程地质分析方法。工程地质分析法一般包括两种形式：地表地质补充勘察和掌子面地质素描调查法。地质素描对隧道掌子面的地质情况进行真实、准确、详细的记录，可以为超前地质预报提供基本依据，并为围岩类别判断提供最直面的资料，同时用以推断掌子面进深

方向围岩状况主要参照物及地质状况边界条件。要保证地质超前预报工作的顺利开展，必须进行准确的地质分析。对隧道所在区域的溪沟河流分布、地形地貌、岩性接触带、向、背斜以及大断层等整体分布状况进行系统、深入分析。全面了解地质条件，要求我们在工作过程中进行必要的地质地表补充调查，也可以通过调查来提高对场地地质特征规律性的认识。一般来说，补充调查主要对场地工程地质以及水文地质条件进行调查与分析研究。

（二）电磁波反射法

1.电磁波反射法超前地质预报原理。地质雷达（GPR）探测是一种科学、行之有效的地球物理探测技术，其通过高频脉冲电磁波的运用，对地下介质的分布进行精确探测。地质雷达的发射天线可以向隧道前方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目标体或介质界面时即发生透射和反射，接收天线接受反射波信号后，便直接传输到接收机，信号经过接收机叠加、滤波、整形及放大处理后，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。原理如图1所示：

实验室的模拟实验及相关理论证明，电磁波于介质或物体中传播速度（v）、走时（t）以及和介质相对介电常数（Er）关系如下：

公式中：z-反射界面深度，x-发射天线与接收天线之间的距离，v-电磁波于介质之中的传播波速，c-光速（c=0.3m/ns，），εr-介质相对介电常数当波速v已知时，通过读取雷达剖面上行程时间来计算界面深度z 值。

界面反射系数及介质波吸收程度会对电磁脉冲信号的强弱有关，一般介质的电性相差比较大，因此不同介质的反射系数也大，导致反射波能量也大，这为地质雷达探测提供了前提条件。

雷达接收信号的强弱与地层的衰减、雷达天线特性、反射特征、目标体深度以及雷达的发射功率与工作频率均有关系。在地下介质及仪器性能不变的情况下，地层衰减系数及工作频率选择将决定探测深度。

地质雷达技术在探测深度及分辨率上存在着优选或取舍问题。一般由探测深度的分辨率可以推出探测深度和天线频率，探测深度的分辨率越高，意味着探测深度浅。天线频率高。

2.电磁波超前地质预报具体操作。

（1）位置及长度测试。拟在隧道的全长范围内进行地质雷达探测和预报。单次预报的长度从掌子面起延伸至进深方向15-50米左右，具体的长度根据视围岩的质量而定。

（2）测线布置。地质雷达测线布置于隧道掌子面上，测线之间的距离不能超过待测目标体横向尺寸。其布置方法灵活多变，共有测线、测点以及网格三种形式供选择。一般情况下，检测目标为掌子面，中心为拱顶，2条测线布置成“十”字形，采用点测法解决开挖工作面不符条件的问题，一般点距为0.05～0.1m。遇上比较复杂的地段，可以布置4条“井”字形的雷达测线，必要的时候为提高探测结果准确性可以加密雷达测线。条件充足时探测可选择支架进行辅助，如图2所示。

在实际操作中，测线条数要根据开挖方式的调整来选择。如双侧壁的导坑开挖在单个掌子面上测线累计达到6条，台阶分布的开挖测线数累计可达7条。如遇上特殊情况，还可在拱顶和隧道侧壁增补测线，以保证通过地质雷达来实现对目标地质体多方位、多角度的测试，从而提高地质雷达超前预报工作可靠与准确。

（3）地质雷达仪器。RAMAC/GPR地质雷达（瑞典MALA Geoscience公司），雷达采用了宽频带、高频、短脉冲及高速采样技术等。仪器配置包括：主机、发射机、天线、接收机、电池包和计算机等。如图3所示。

在雷达连续扫描过程中，可采用地质雷达的配套Reflexw-2D软件来进行实时采集数据，原始数据的实时滤波处理可通过丰富的数据处理技术来实现，并将优良的地质雷达波谱作为地质解释重要材料。采用100MHz屏蔽天线来进行雷达探测，探测深度可达30m，时间窗口600ns。

（三）地震波反射法

地震波预报通过TGP206型的超前预报系统来实现，包括仪器有三部分：主机、配件及处理软件。

1.地震波反射法的超前地质预报原理。地震波超前预报利用地震波在岩体传播过程中于声阻抗界面产生的地震反射波原理，隧道岩体中地震波传播的信息通过仪器设备来采集，对相关的数据进行系统处理，在已有地质资料的基础上，综合分析并准确推断隧道前方的地质条件，达到地质超前预报的目的。

小药量炸药于隧道边墙风钻孔里爆炸产生地震波震源，于洞壁一侧直线布置激发炮孔。采用三份量的采集模式接收地震波，在与炮孔高程相等的洞壁钻孔里面安置接收探头，并实现与钻孔岩体的良好耦合，隧道左右壁钻孔里也各布置一个。地震波的传播形式呈球面波形，若地震波遇上岩体声波阻抗存在有差异的界面时，部分的地震波信号便会反射回来，而部分信号将透射进前方岩体继续进行反射作用。高灵敏地震检波器将全程接收地震波信号。地震波信号传播距离与传播时间成正比，传播速度与传播时间成反比；界面聲阻抗性质与岩体性质影响地震波信号的传播与衰减。

预报应该掌握隧道地震波全波列信息，并对全波列进行系统分析。隧道预报工作应当与隧道施工紧密联系，在特定的间隔距离内进行连续预报，确保隧道施工工序的安全性和预报资料分析的准确性。连续无间断与资料进行重复对比，可以有效提高预报成果的准确性和质量。

2.地震波反射法的处理及流程分析。

二、工程概括

罗圈背隧道的起讫桩号是左洞ZK138+847～ ZK139+980，右洞是YK138+890～YK140+013。左洞长度为1133米，而右洞长度为1123米，二洞的平均长度为1128.00米，属于长隧道。进行分离式双洞布置。此隧道的最大埋深170米左右。

三、地质探测结果分析（此处以部分结果示例）

（一）ZK139+872～ZK139+844段

本次探测在里程桩号为ZK139+872的隧道出口掌子面上开展。图1记录着此次探测的地质雷达信息。雷达记录显示，此次地质雷达探测出来的有效预报距为28m，里程桩为ZK139+872～ZK139+84段。掌子面里程桩号为ZK139+872～ZK139+857段，该段围岩局部存在较强的雷达反射波，反射波波幅呈高幅，波形连续，该段围岩的局部比较破碎，围岩是中～微风化砂岩的夹砂砾岩，而围岩节理的裂隙较发育，但整体的稳定性相对差，围岩等级为Ⅳ级；里程桩号为ZK139+857～ZK139+844段，该段围岩中的能量反应比较弱，但局部稍强，波幅为低幅，波形相对完整，可以推测该段围岩比较完整，裂隙局部发育较好，该段围岩为夹砂砾岩，节理裂隙局部发育较好，此段围岩的稳定性稍好，等评定为Ⅲ级。此段于图纸中的围岩等级为Ⅲ级。

施工过程应该坚持“勤量测、弱爆破、短开挖、强支护及早封闭的开挖原则，在开挖的时候，应尽量减少或避免损伤围岩，防止因裂隙发育而出现的严重拱顶掉块，甚至坍塌等破坏现象。因此，在该段施工过程中应该注意做好防护工作，严格控制好炸药的用量，杜绝超挖现象，尽量减少对围岩的扰动，对围岩实行立架喷浆支护，从而达到稳定围岩目的，避免或减少掉块伤人事故。地质雷达的超前预报为无损地球物理的勘探技术，但难以标定围岩的波速，可能存在着距离误差。

（二）YK139+730～YK139+700段

本次探测在里程桩号为YK139+730的隧道出口掌子面上开展。图2记录着此次探测的地质雷达信息。雷达记录显示，此次地质雷达探测来的有效预报距离30m，里程桩号为YK139+730～YK139+70段。掌子面里程桩号为YK139+730～YK139+715段，该段围岩局部存在稍弱的雷达反射波，低幅反射波，围岩相对破碎，而节理裂隙发育较好，可能出现裂隙水，这跟掌子面的围岩相似；而里程桩号为的YK139+715～YK139+700段，该段围岩中的能量反应比较强烈，同相轴不但连续，反射波的波幅高且宽，该段围岩相对破碎，裂隙发育较好，围岩比掌子面略微有偏差。此段围岩呈块状结构，围岩的稳定性较差，围岩等级评定为Ⅴ级。而此段于图纸中的围岩等级是IV级。

建议施工时坚持“勤量测、短开挖、强支护、早封闭”的开挖原则。在开挖时，应该尽量减少或避免对邻近岩石的损伤，防止裂隙进一步扩大，导致严重的拱顶掉块甚至坍塌等现象的出现。建议在进行该段施工时应注意加强本段的防护工作，严格控制开挖，严禁超挖，应尽可能减小对围岩的扰动。可以对围岩进行喷浆立架支护，以稳定围岩，防止掉块伤人和塌方事故的发生。由于地质雷达超前预报属于无损地球物理勘探技术，且对于围岩波速无法进行标定，可能存在距离误差。

四、结语

综上所述，在实际的隧道施工过程中，如果预测数据不够精准，岩层结构情况和图纸上的设计存在很大差别，就会大大增加施工的危险性，与直接影响施工的进程。如果不采取科学、有效的预报手段，掌握正确的预报方法，规范图纸设计，而只是盲目地遵循图纸上的数据来进行实际施工，不仅不能有效开展工作，还可能使施工在缺乏风险规避的情况下造成损失，甚至更为严重的后果。因此，在进行隧道施工之前，一定要认真做好超前地质预报，确保施工的可行性、科学性和安全性。

在罗圈背隧道工程的实际施工过程中，我方已经加大超前地质预报工作力度，而预报的准确率也达到90%以上，可以有效地指导隧道施工，为工程开展提供重要的参考依据。通过对上述数据进行全面的采集与分析，超前地质预报在隧道施工过程中的重要性得以验证。

参考文献

[1] 胡兴.隧道施工期地质超前预报方法现状[J].贵州工业大学学报（自然科学版），2008（5）.

[2] 王利伟，徐永明.综合超前地质预报在隧道施工中的应用探讨[J].铁道标准设计，2014（z1）.

[3] 赵俊.隧道施工超前地质预报应用及其重要性[J].企业技术开发（下半年），2013（7）.

作者简介：吴鹏，福建路桥建设有限公司。