综合超前地质预报在隧道断层破碎带开挖中的应用

缪 宁 张绍量 袁翠萍

(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南 昆明 650051；2.云南创研勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650000)

综合超前地质预报在隧道断层破碎带开挖中的应用

缪 宁1张绍量1袁翠萍2

(1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，云南 昆明 650051；2.云南创研勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650000)

以南峰隧道开挖为例，运用综合超前地质预报探测里程ZK3+660～ZK3+544范围内的地层情况。将探测结果与开挖后的实际情况进行对比发现，综合超前地质预报可以有效地探测掌子面前方断层破碎带，可以为隧道开挖提供参考。在隧道开挖中，超前地质预报具有重要的意义。

隧道，断层破碎带，地质雷达，TGP反射地震波法

0 引言

当公路、铁路在通过山区的时候，经常需要开挖隧道，准确地对开挖隧道前方的地质情况进行预报是隧道安全开挖的基础，许多学者对此做了研究[1-4]。罗利锐，刘志刚和姚海波等[5]将地质雷达运用到棋盘石隧道中，准确地预测到开挖前方的溶洞，与实际情况一致。唐亚辉[6]将地质雷达和TSP法综合运用到隧道开挖中，将两者的结果与实际情况进行比较，发现两种方法的综合运用可以使得预测结果更为准确。在隧道开挖中，断层破碎带是隧道开挖中经常遇到的问题。由于断层破碎带自稳性极差，在隧道开挖的过程中极易失稳。因此，准确预报断层破碎带位置，并及时进行有效地支护是隧道开挖的重点。

本文结合前人的研究，将综合超前地质预报运用到南峰隧道的开挖中，准确预报断层破碎带的位置，及时对围岩进行支护，确保隧洞的稳定性。

1 基本原理及方法

根据场地地层岩性及地质结构的特点，选用地质雷达法和TGP反射地震波法进行隧道开挖的超前预报，现对这两种方法进行介绍。

1.1TGP反射地震波法

北京水电物探研究所根据需要，开发了TGP206隧道超前预报仪，主要利用的是地震波的反射回波测量原理。在现场预定位置埋设小剂量的炸药，利用炸药爆炸产生的地震波在岩土体中传播，从而来判断岩土体的结构和性质。由于是人工激发的地震波，需要对接收的地震波进行降噪处理，排除干扰信号的影响，再通过计算机将需要的地质信息输出。

1.2地质雷达法

地质雷达法主要是利用探测的目标与周围介质之间存在着明显的电位差来进行判断的。当发射天线向地下介质发射高频电磁波，电磁波在介质中传播时，其波形特性会随着介质大小、电性的不同而发生变化。当电磁波反射回地面时，被接收天线所接收。计算机会对接收到的波进行分析和处理，从而可以判断地下情况，地质雷达探测原理具体如图1所示。

电磁波在介质中的传播速度与岩土体的类型、围岩坚硬程度、含水率等有关。通常工程勘探和检测中所遇到的介质都是以位移电流为主的低损耗介质，反射系数r和波速v主要取决于介电常数ε的大小。

2 工程地质概况

南峰隧道位于福建省福州市连江县，轴线大致呈东西走向，穿越南北向的南峰山。双洞双向行车，左洞为ZK1+075～ZK4+714，全长3 639 m；右洞为YK1+090～YK4+697，全长3 607 m，属于特长隧道。进口处地面高程在150 m～155 m，出口处地面高程约130 m～135 m，隧道轴线最高点高程约548 m，相对高差400 m～420 m。根据勘察发现，该区的主要地层为粉质粘土、花岗岩和花岗斑岩。官溪—对洋断裂带穿过隧道区附近，受其影响隧址区次级构造较发育，但未见有活动性断裂。主要为断层构造及挤压型节理裂隙密集带发育，整体较稳定。

3 数据采集、处理与分析

3.1TGP反射地震波法

本次采用国产TGP206预报系统对邻近断层的掌子面进行探测，测试掌子面里程为ZK3+660，传感器断面里程为ZK3+735，分别布置于隧道左右边墙内，激发炮孔24个，间距2 m，布置于右边墙。本次探测里程为出口左洞ZK3+660～ZK3+544，共116 m，波形图如图2,图3所示。

由图2可以发现：横波的波幅、频率和速度与纵波相比有明显不同，各参数有显著差别且分离明显，说明现场采集的地震波原始记录是优良的，满足要求。

对数据进行处理，处理结果如图3所示。可以发现：在里程ZK3+660～ZK3+610范围内，纵波视速度仅在ZK3+642附近较大幅度升高，持续距离较短约10 m又减小，横波视速度小幅度减小，短距离有回升，纵横波速比后段变大，纵波反射总体比横波强；在里程ZK3+610～ZK3+580范围内，纵波视速度显著降低，横波速度先小幅增大后不变，纵横波速比变小，波速在该段维持在一个较小值不变；在里程ZK3+580～ZK3+544范围内，纵波视速度虽有小幅度变化，但总体变化幅度较小，波速基本以6 500 m/s为中心小幅度跳动，但总体是此段纵波视速度与掌子面波速较接近(6 400 m/s),横波视速度基本不变，纵横波速比变化较小，纵波反射强于横波，横波基本无反射。

TGP探测结果表明，前方有一约30 m的断层，位于里程ZK3+610～ZK3+580，围岩较破碎，施工时应适当放慢开挖速度，并防止塌方、掉块等事故的发生。

3.2地质雷达法

由于地质雷达有探测精度较高、探测距离较短的特点，可以利用地质雷达对前期判断的断层破碎带进行详细探测。由于探测距离较短，因此分段进行，探测结果如图4,图5所示。

从图4中可以发现：反射波在ZK3+616～ZK3+606段内围岩反射波局部振幅稍大，同相轴稍有弯曲，推测该段围岩质量较掌子面围岩基本一致；反射波在ZK3+606～ZK3+590段内同相轴错断，振幅较大，波形杂乱，推测该段围岩较破碎，节理裂隙较发育。从图5中可以发现：反射波在ZK3+593～ZK3+583段内围岩反射波振幅较大，同相轴连续性较差，波形杂乱，推测该段围岩质量较掌子面围岩基本一致；反射波在ZK3+583～ZK3+563段内同相轴较续性，波形较均一，推测该段围岩较掌子面围岩要好，节理裂隙弱发育。地质雷达探测结果与TGP探测结果基本吻合，推测断层破碎带位置为ZK3+605～ZK3+583。

4 预报结果与实际结果对比

现将综合超前地质预报与实际情况进行对比，可以发现：在里程ZK3+660～ZK3+605范围内，综合地质预报结果为围岩节理裂隙弱发育，完整性较好，地下水弱发育。开挖结果与探测情况类似，围岩为微风化花岗岩，节理裂隙一般发育，开挖过程中偶有地下水呈点滴状出露，围岩自稳能力较好，无其他不良地质现象。在里程ZK3+605～ZK3+583范围内，探测结果为断层破碎带，开挖揭露的围岩为弱风化花岗斑岩，节理裂隙较发育。该断层为区域性地质断层，经后期断层活动及辉绿岩脉的侵入，断层挤压带已被硅质胶结，呈块状镶嵌破碎结构；与隧道呈小角度相交，破碎带厚7 m，影响范围为12.2 m；ZK3+602附近地下水呈淋滤状渗出，围岩自稳能力稍差。在ZK3+583～ZK3+542范围内，探测结果为围岩节理裂隙不发育，完整性较好，地下水不发育。开挖揭露的围岩为微风化花岗斑岩，ZK3+580～ZK3+575段围岩稍破碎，之后的围岩逐渐变好，岩体较完整，岩质坚硬，呈大块状镶嵌结构，灰白色，结构面稍发育；局部偶有地下水呈点滴状渗水，围岩自稳能力较好。

将综合超前地质预报结果与开挖后的情况进行对比发现，预报结果与实际揭露情况基本一致。TGP探测距离较远，预报精度较地质雷达差，只能做到大致预报。综合预报准确性较好，及早预知断层的位置及规模，避免了掉块、塌方等事故的发生。

5 结语

断层破碎带是隧道开挖的薄弱位置，需要重点关注，及时进行支护。本文利用综合超前地质预报对南峰隧道的断层破碎带进行探测。通过以上研究，可以得到如下结论：

1)利用TGP反射地震波法，测得里程ZK3+610～ZK3+580范围内有一个宽度约30 m的断层破碎带；

2)将综合超前地质预报探测的结果与实际情况对比发现，TGP反射地震波法和地质雷达法相结合可以有效的探测开挖前方的断层破碎带，使得隧道在开挖过程中能够及时支护，避免出现塌方、掉块。

[1] 张冠男,周建春.GPT超前地质预报技术在马留山隧道中的应用[J].工程勘察,2012(12):79-83.

[2] 胡 庸.HSP超前地质预报技术在隧道工程中的应用[J].现代隧道技术,2013(3):136-141.

[3] 胡辉荣,于 贵.TSP203 Plus超前地质预报系统在高竹顶隧道断层中的应用[J].铁道工程学报,2011(5):1-4,16.

[4] 李 华,李 富,鲁光银,等.TSP法与探地雷达相结合在隧道超前地质预报中的应用研究[J].工程勘察,2009(7):86-90.

[5] 罗利锐,刘志刚,姚海波,等.超前地质预报在棋盘石岩溶隧道中的应用[J].铁道工程学报,2009(11):10-12,22.

[6] 唐亚辉.地质雷达和TSP法在隧道超前地质预报中的应用[J].人民长江,2015(S1):100-102.

Applicationoftheintegratedadvancegeologyforecasttechnologyinexcavationofthefracturezoneoftunnel

MiaoNing1ZhangShaoliang1YuanCuiping2

(1.KunmingProspectingDesignInstituteofChinaNonferrousMetalIndustry,Kunming650051,China;2.YunnanChuangyanSurverDesignInstituteCo.,Ltd,Kunming650000,China)

Taking the excavation of South Peak as an example, the integrated advance geology forecast technology is used to explore the formation condition of range ZK3+660～ZK3+544. The results are compared with the actual situation after excavation, the integrated advance geology forecast technology can effectively detect the broken faults ahead of tunnel and provide a reference for the tunnel excavation. The integrated advance geology forecast technology is of great significance in tunnel excavation.

tunnel, fracture zone, GPR, TGP reflected seismic wave method

U456.33

A

1009-6825(2017)26-0159-03

2017-07-08

缪 宁(1976- )，男，工程师