超前地质预报方法及其应用

2017-04-13周相识

采矿技术 2017年2期

关键词：掌子面围岩雷达

周相识

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 411004)

超前地质预报方法及其应用

周相识

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 411004)

山岭隧道地质条件复杂，当遇到不良地质条件如溶洞、断层、岩溶水时常常发生突水突泥、塌方等地质灾害问题。为防止该类事故的发生，开挖前必须对隧道前方的地质情况有所了解。通过隧道超前地质预报技术手段，将各种预报方法在实际工程中加以应用，得到的预报结果表明，各探测方法的相互印证体现了综合预报的重要性及准确性，证明在隧道施工过程中，采用综合超前地质预报较为行之有效，在复杂地质条件下应推荐采用。

隧道工程；地质雷达；TSP；地质素描；超前钻孔

随着山岭隧道的高速发展，隧道超前地质预报已成为长大隧道必不可少的技术环节，它主要是探测隧道掌子面前方围岩的级别、地质状况，根据地质状态和围岩级别适时调整开挖工法和支护措施，以保证隧道施工安全。隧道超前地质预报的内容主要有：断层构造及断层破碎带，岩溶、空洞、裂隙及其规模和充填情况，地下水的赋存状态及可能突水、涌水的位置以及水量的大小和软弱围岩及不同类别围岩的界面等[1￣9]。现有隧道超前地质预报的手段主要有：地质素描、地质雷达、超前钻孔、TSP系统、炮孔加深等。

1 超前地质预报方法

超前地质预报的主要工艺流程见图1。

图1 综合超前地质预报工艺流程

1.1 长距离超前地质预报

长距离地质预报主要采用TSP仪器进行探测[10]。TSP203预测预报系统是长距离地质预报较常采用的一种技术手段，它能测试前方100 m内的断层破碎带、宽大节理密集带、喷出岩接触带及地下水变化情况等。进行TSP超前预报时应连续不少于2次探测，每次探测应搭接10 m。TSP203预测预报系统主要工艺流程为：

(1) 隧道边墙钻孔形成有规则排列的人工钻孔，通过爆破手段产生轻微震源，发射地震波。

(2) 采集震源的反射波数据，分析反射波的传播速度、波长、强度等信息推测前方断层、岩溶水等相关不良地质体性质。

(3) 制作地质体反射能量的影视图。

(4) 整理采集的数据质料并进行破译，对隧道掌子面前方的不良地质体性质、位置和规模等加以预测。

1.2 短距离超前地质预报

短距离超前地质预报主要包括地质素描、地质雷达、超前钻孔等方法，它是对长距离超前地质预报的补充，是在前者的基础上进行的预测手段。

1.2.1 地质素描

地质素描是确保对前方地质的预报准确度的手段之一，主要包括地质内容(岩性特征，地层时代及产状，节理、断层的性质、产状，地下水，开挖工作面的稳定状态，围岩类型等)和开挖后已支护段情况，包括：初期支护完成后对喷层表面的观察，以及裂缝状况的描述与记录；有无锚杆被拉坏或垫板陷入围岩内部的现象；喷混凝土是否产生裂隙或剥离，喷混凝土是否发生剪切破坏；钢拱架有无被压曲现象；有无底鼓现象等。

1.2.2 地质雷达

地质雷达是近年来兴起的一种超前地质预测方法，以其分辨率高等特点被广泛采用。通过对波普进行分析，地质雷达能探测出掌子面前方的地层变化，对于断层破碎带尤其是含水带有较高的预测能力。对于多岩溶、区域水丰富的隧道，地质雷达是一个较为理想的预报手段。在长距离超前地质预报探测出的复杂地段及异常地段，通常都应采用地质雷达作为补充，以确定异常地段的具体位置、大小、类型、岩性等。

探地雷达法以电磁波传播理论为基础，以目标体与周围介质的介电性质差异为前提，通过发射高频电磁波(中心频率为数十MHz到千MHz)，以宽带短脉冲形式在掌子面上由发射天线T送入前方，经目标体界面反射回来，由接收天线R接收(见图2)；电磁波信号在介质中传播，遇到介电性质不同的分界面就会产生反射、色散和衰减等现象，发射和接收天线在测线上按一定的间距同步移动，获得该测线的雷达探测图像，根据反射信号的时间、相位、频率、幅度及波形等特征来分析和推断介质性质与界面位置。

探地雷达属于反射波探测法，其基本原理与对空雷达相似，根据掌子面反射与目标反射的时间差Δt，即可计算出该目标的埋藏深度L。不同介质具有不同的介质常数，差异越大，反射信号越强。探测结果采用伪彩色图像或堆积波形方式显示，通过对接收信号实施适当的处理，压制干扰、突出有效信号，获得清晰可辨的雷达图像，在此基础上识别异常，进行地质解释。

图2 雷达探测原理示意图

1.1.3 超前钻孔

超前钻孔是最直观的一种预测方法，主要是通过钻取掌子面前方岩芯进行观察及相关力学性能测试来预判前方地质情况，是对其他预报成果的补充与验证。它能最直观地观测掌子面前方的地质特征，准确率很高。通常在地质预报段钻取3孔，遇到异常段时则钻取5孔，孔深在6～8 m。主要有不取芯钻探和取芯钻探两种方式。

不取芯钻探主要是通过改变钻机力道，观察回水颜色及岩屑等变化情况，及时记录相关钻进参数，如时间、钻进速率等，并据此推测掌子面前方的溶洞、泥槽、涌水、流沙等不良地质现象。它的主要优点是探测时间短、费用相对较低，较适合隧道前方有地下水层的地质情况，可达到同时探测并排水的效果。但由于无法得到完整的岩芯，故存在较大的不确定性因素，常因坍孔而无法得到准确的前方水资料。

取芯钻探通过钻机钻取完整岩芯，通过判别岩芯直接获取地质资料，从而对掌子面前方岩体做出正确的地质判别。同时通过对钻取的岩芯进行物理力学实验，可准确获取岩体相关力学参数，为设计施工的参数调整提供依据。取芯钻探完成后的孔洞还能为高压富水隧道提供排水通道，可利用该空洞进行排水降压。但取芯钻探施工时间长，且钻探时掌子面无法进行其他施工作业，消耗的时间、费用都较不取芯钻探大。

2 工程应用

某山岭隧道正线全长6216 m，隧道起讫里程为DK37+35～DK43+569。根据本标段地质情况及隧道工程岩性和地质构造，围岩等级主要分布有Ⅱ级(4115 m)、Ⅲ级(220 m)、Ⅳ级(260 m)、Ⅴ级(277.55 m)4个级别，隧道洞口主要存在全风化砂土、云母石英片破碎层节理发育区等不良地质现象，构造带易发生透水、涌泥等灾害。本段主要为中低山区及丘陵区，主要为变质岩、沉积岩和侵入岩；其中侵入岩及硅质岩为硬岩，其它一般为软岩及极软岩。

为查明该隧道已挖工作面前方的岩层构造特征和水文地质特征，减少因地质灾害或支护不当而导致大塌方带来的损失，采取长距离预报为主，辅以短距离预报验证的综合超前地质预报方法进行超前地质分析，以保证隧道施工安全。其中长距离预报方法主要采用TSP203plus进行探测，短距离预报方法主要以地质素描、加深炮孔和地质雷达进行探测。

2.1 TSP203plus预报成果

在工程技术人员的配合下完成了DK40+749掌子面的超前探测。本次TSP探测掌子面里程桩号为DK40+749，共布置22个有效炮孔，接收孔与最近炮孔距离约20 m。采集的数据经过滤波、初至拾取、炮能量均衡、Q评估以及波场分离(包括反射波提取、纵横波分离)、速度分析后得到相关波(P、SH、SV)的深度偏移剖面(见图3)，用TSP203plus探测系统专门处理软件计算得到相关的岩石力学参数和相关的二维、三维效果图(见图4和图5)。根据预报成果，推测掌子面前方地质情况如下：

(1) DK40+749-DK40+802区段53 m范围内，纵波波速大体相近，约为5300 m/s左右，纵波与横波比局部约为1.8，推测该区段围岩与掌子面围岩基本类似，为弱风化云母石英片岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，地下水较发育，围岩自稳能力较差～一般；

(2) DK40+802-DK40+860区段58 m范围内，纵波波速减小，约为4850 m/s左右，深度偏移图显示正负反射均较强，反射界面分布密集，长度较大，多为节理裂隙发育；推测该区段围岩节理裂隙发育，岩体较破碎，局部层间有夹泥，地下水不发育，围岩自稳能力较差；

(3) DK40+860-DK40+876区段16 m范围内，纵波波速迅速增加，约为5600 m/s左右，反射界面较少，长度较大；推测该区段围岩节理裂隙稍发育，岩体稍破碎，地下水不发育，其中DK40+865附近有大裂隙发育的可能，围岩自稳能力一般～较好。

(4) DK40+876-DK40+899区段23 m范围内，纵波波速约为6000 m/s左右，反射界面较少(局部有长反射)，深度偏移图显示正负反射均较强，且横波发射明显强于纵波发射，结合地质勘察资料，推测该区段围岩节理裂隙稍发育，岩体稍完整，地下水较发育，围岩自稳能力一般～较好。

图3 P波深度偏移剖面

图4 3D成果图

图5 2D成果图

2.2 掌子面素描

施工过程每进尺10 m进行一次掌子面素描观察，以断面DK40+870为例，该掌子面地质描述为：掌子面揭露为弱～强风化灰色二长花岗岩,属硬岩，岩体较完整，局部岩体较破碎，块状结构，结合较差，节理裂隙发育；地下水稍发育(见图6、图7 )。无其他不良地质情况。综上所述，根据铁路隧道围岩分级标准，掌子面围岩可建议为Ⅲ级，验证了TSP超前地质预报的准确性。

图6 掌子面照片

图7 掌子面结构面素描

2.3 加深炮孔分析

加深炮孔探测法共水平施钻3个孔，深度约为6 m，3个钻孔全部布置在上台阶，孔1与孔3分别上台阶掌子面左、右侧，距离轮廓线约0.2～0.5 m，距离拱顶约1.5 m处；孔2位于拱顶正下方，距离拱顶0.2～0.5 m处。具体钻孔位置见图8。以DK40+833断面加深炮孔探测法为例，各钻孔钻进过程具体描叙如下：

(1) 1#钻孔：钻进时钻速均匀，钻速较快，无卡钻、跳钻现象，冲洗液颜色为灰白色，钻孔后无渗水现象；

(2) 2#钻孔：钻进时钻速不均匀，钻速慢，有卡钻、跳钻现象，冲洗液颜色为灰白色，钻孔后有渗水现象；

(3) 3#钻孔：钻进时钻速均匀，钻速较快，无卡钻、跳钻现象，冲洗液颜色为灰白色，钻孔后无渗水现象。

结合钻孔分析，预报里程范围为DK40+833～DK40+837(即掌子面前方4 m)，预报区段为灰色弱～强风化二长花岗岩，弱～强风化，岩体较完整，局部较破碎；节理裂隙稍发育，地下水稍发育。围岩自稳能力一般。

图8 加深炮孔孔位布置

2.4 地质雷达预报成果

地质雷达探测根据探测目标的性质和结构特征，结合以往经验，选择100 MHz天线进行探测，探测时，天线沿测线尽可能贴近掌子面均匀移动，确保天线和掌子面的最佳耦合，天线在掌子面上面每移动20.0 cm采集一次数据。以DK40+544断面为例，探测成果见图9。根据雷达探测成果，结合地质勘探资料及掌子面地质特征综合分析，本次探测推断：

(1) 探测范围内(DK40+844-DK40+864)围岩为中风化变质云母石英片岩；

(2) DK0+844-DK40+857段岩石较破碎；

(3) DK40+857-DK40+864段裂隙发育。探测的结果与TSP地质预报结果较为吻合。