综合超前地质预报技术在引松供水隧洞中的应用

宋宝玉，刘洪铖，关镶锋

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

1 隧洞地质灾害问题分析

隧洞工程区围岩的地质情况相对复杂、水文地质条件等变化较大，且限于目前的施工前期地质勘察工作量布置有限，技术手段和水平及勘察阶段精度控制要求等等，在前期勘察过程中，完全查明地下岩体地质情况很困难。在施工过程中，超前地质预报工作的展开，可以有效的解决这些问题，减少因缺少超前地质预报而造成的经济财产损失。

在此基础上，我们进行了隧洞常见地质灾害调查[1- 12](见表1)和分析。

表1 隧洞地质灾害调查表

表2 超前地质预报主要物探技术调查表

通过上表的国内外工程事故，不难分析出隧洞施工主要存在的问题分为以下几类：第一类：突水、泥和涌水、泥灾害；第二类：隧洞结构坍塌堆积问题；第三类：断层、构造、软弱结构面及破碎带卡机问题等。

2 隧洞超前地质预报技术调查

我国是20世纪70年代后开始重视隧洞超前地质预报的研究和应用；90年代瑞士研究并开发了TSP技术，铁道工程学报报道了何振起等提出的“负视速度法”的引入，TSP开始风靡全国。2006年北京物探研究所刘云帧等研发的TGP预报技术，再到同度的TST，美国的TRT系统等。在方法、仪器设备上，包括软件建模，分析处理开发上都有了飞跃的发展[4]。

在不断开展和应用超前地质预报技术的同时，其技术暴露出来的虚报漏报，预报准确性不高，不良地质体解译缺乏明确的判断原则等缺陷，已逐步为人们了解。研究其原因是各方面的，侧重可用于超前地质预报的方法系统应用，对方法原理的边界条件考虑不周全，准确性考虑不多，如数学建模模型本身就存在缺陷导致有效反射信息缺失，判断缺乏依据往往依赖工作人员的经验等等[1- 12]。

当前隧洞超前地质预报方法较多。直接手段有超前钻探、超前平行导坑等；间接手段主要以物探技术为主。其主要技术具体见表2。

由于采用单一的预报方法具有极大的局限性，主要体现在系统、方法、模式和反映的物理特征等方面的局限，导致预报结果往往出现误报、漏报和精准度差等问题。目前综合超前地质预报技术的方法和手段多种多样，虽然各类方法的准确度和精确度还有待提高，需要不断去实践探索和研究，但在隧洞工程建设中发挥了巨大的作用，已成为隧洞工程中不可缺少的重要部分[1- 12]。

3 工程概况

吉林省中部城市引松供水工程的供水范围横跨吉林省中部的11个市、县区及26个城镇，属于大面积、跨流域、长距离的城镇供水工程。输水线路总长635.09km，设计引水流量为38.00m3/s，最大年引水量为10.40亿m3，分为输水干线和输水支线，其中输水干线长263.58km，输水支线长371.51km，等级为I等工程。总干线工程中的永久性主要水工建筑物级别为1级，包括隧洞、埋管及交叉建筑物，次要建筑物级别为3级。仅包括总干线TBM施工段的隧洞，线路桩号2+000～71+855m，总长度69855m。根据TBM施工台数和线路特点划分为：TBM1(ZG2)、TBM2(ZG3)、TBM3(ZG4)三个标段。TBM1标段(桩号2+000～24+600m，长22600m)；TBM2标段(桩号24+600～48+900m，长24300m)；TBM3标段(桩号48+900～71+855m，长22955m，其中7000m穿灰岩，隧洞设计洞径7.79m)[6]。

地质情况较复杂，主要穿过有灰岩、凝灰岩、砂(砾)岩，泥岩、角砾岩、安山岩、花岗岩、斑岩、闪长岩等。因此在进行工程建设施工时，采取恰当的超前地质预报方法，给予适当的工程地质综合评价，优化工程设计是实现施工信息化的重要基础，也是该工程最大限度的确保隧洞施工安全的首要问题。

4 综合超前预报技术选取

技术的选取应考虑方法的科学性和合理性，还有可操作性，尽可能多的利用地质体的多种物性参数等来进行地质分析。吉林省水利水电勘测设计研究(下简称吉水院)院采用地质调查与分析方法结合物探成果进行综合超前地质预报。其中地质分析分为地质调查、地质素描和地质测绘等，为隧洞工程中采用何种地质预报方法提供了宏观建议和依据。通过结合已知的地质资料，更准确地判定围岩的完整性，进行围岩分级，预测隧洞前方的地质情况等。物探技术方法主要采用洞内外相结合，立体式预报方式。

4.1 洞外方法(EH- 4原理及数据处理)

考虑隧洞埋深，埋深深度对断层构造等不良地质体的判断有差异及对水和破碎带的敏感性等因素，吉水院采用基于平面波卡尼亚电阻率的电磁法，轻设备，小功率的EH- 4方法，从垂直方向来分辨，通过电磁波异常的分析来预测隧洞围岩情况，目前此方法比较成熟[14]。

EH- 4是基于平面波穿透深度或趋肤深度同不同的电磁波频率相关:

(1)

式中，δ—趋肤深度，m。通过发射、接收不同频率的电磁波，得到不同深度的卡尼亚电阻率或电导率[13]。由式(1)反推得到的电阻率通常为视电阻率。

在一个1～750kHz相对固定的宽频带上，同时接收x方向和y方向的电场和磁场，反演得出x-y电导率张量成像剖面，对判断确定地下构造及破碎带和接触带等二维结构特别有利。

数据实时处理时，根据每个测点给出的视电阻率、相位、相关度及振幅曲线，进行数据质量的实时分析。对于一些不可靠的数据可以从曲线中剔除，然后继续测量，或者整条曲线的数据质量太差，采取措施，实施重复测量。在完成整条测线的连续观测后，可在现场采用EMAP法(该法可以有效地消除静态效应)给出拟二维反演解释结果的灰度图。

4.2 洞内方法(TRT6000原理及数据处理)

运用地震体波的传播特性，遇到波阻抗(密度和波速的乘积)不同界面时，在界面会发生反射、折射等。采用地震设备，拾取界面回波，从水平方向来分辨，通过地震波异常的分析来预测隧洞围岩情况，目前采用弹性波法(TRT6000)，此方法比较成熟，取得了较好的效果[7]。

TRT6000采用隧洞地震波反射速度扫描偏移成像技术，通过接收岩体中不均匀面的反射地震波进行超前探测。该技术的原理：地震波遇波阻抗不同界面时，一部分地震波被反射，一部分地震波透射进入前方介质。依据地层岩体界面的地球物理特性：地质岩层界面或岩体内间断界面的波阻抗往往是不同的。利用高灵敏度的传感器接收反射的地震体波信号。反射体越完整、尺寸越大，波阻抗越大，其回波越明显，越易被探测。经过分析处理探测到的回波，反演出隧道工作面前方各个断面剖面影像图，来了解前方地质体的位置、大小、形状及性质(构造断层、破碎带、软弱带或夹层、含水或富水等)，达到了解和判断隧洞开挖面前方地质体的性质位置及规模。

判断围岩类别原则:

(1)根据异常区域图像相对于围岩背景，从背景波速分析异常的波速差异，进而判断围岩类别；

(2)对围岩类别的判断必须与地质情况相结合，综合分析。

5 综合超前预报成果与评价

2015年7月，在吉林省中部城市引松供水工程TBM2标段施工时，发现F23- 2构造断层，TBM卡机，经施工处理塌方厉害，经有关方现场商定，采用超前地质预报测试。测试方案采用选取的综合超前地质预报技术，地表用EH- 4仪器，岩洞轴线及两侧作地质剖面测试。洞内用TRT6000仪器对掌子面前放进行超前测试。经以上两种物探技术手段，测试后成果结合地质调查与分析综合解译，给出预报结论。如图1、2所示。

通过地质调查与分析综合，预报结论如下：

桩号47+381.2～47+350m段，超前管棚注浆处理区，实测视电阻率ρs为500～1100Ω·m，为断裂构造F23- 2次生构造挤压破碎区，围岩破碎，碎裂-碎屑散体结构，岩体局部裂隙水较发育，围岩V类为主。

桩号47+350～47+322m段，实测视电阻率ρs为300～500Ω·m，为原断裂构造F23- 2次生构造影响区，岩体局部裂隙水较发育，围岩破碎，碎裂-碎屑散体结构，围岩V类为主。

图1 地面EH- 4洞轴线视电阻率测试剖面图

图2 洞内TRT6000三维成像侧视图

序号工作日期桩号准确基本准确不准确定量定性岩性备注1三标段第1次超前地质预报2015.7.31～8.1447+450～950▲石英闪长岩2三标段第2次超前地质预报2015.12.12～1347+183～072▲石英闪长岩3三标段第3次超前地质预报2015.12.1947-068～46+940▲花岗岩4三标段第4次超前地质预报2015.12.22～2346+905～46+805▲花岗岩5三标段第5次超前地质预报2015.12.28～2946+761～46+48▲凝灰岩6三标段第6次超前地质预报2016.1.446+552～46-452▲凝灰岩7三标段第7次超前地质预报2016.1.746+424～46+324▲凝灰岩

桩号47+322～47+281.2m段，实测视电阻率ρs为250～300Ω·m，为原断裂构造F23- 2次生构造影响区，岩体局部裂隙水较发育，围岩较破碎-破碎，围岩IV～V类为主。

桩号47+281.2～47+110m段，实测视电阻率ρs为120～350Ω·m，为原断裂构造F23- 2主要影响区。岩体局部裂隙水较发育，围岩破碎，碎裂-碎屑散体结构，围岩V类为主。

桩号47+110m～46+950m段，实测视电阻率ρs为500～1000Ω·m，岩体逐渐变好[10]。

经施工通过验证，本次预报了423m的长度范围，误差约在8m之内。后接着又预报了6次，施工方反馈见表3。

根据回访施工方和监理业主、预报成果与施工揭示对比，综合超前地质预报技术在吉林省中部城市引松供水隧洞的实践应用效果比单项超前预报要好得多。

6 结语

综合超前地质预报技术，选取了洞内和洞外立体式的结合技术。洞内选择成熟度高的TRT6000超前地质预报系统，宜适用于TBM掘进短、中、长距离预报。洞外选择比较成熟先进的EH- 4系统，宜适用于中、长距离预报，且对富水带、构造、破碎带，岩溶及软硬岩体接触带等有较好的分辨效果。通过这种立体式的探测结果与地质资料相结合，得到更加准确、更加真实的探测结果。

在吉林省中部引松供水工程大量实践中，这种相对较全面的综合超前地质预报技术，发挥了巨大的优越性，为隧洞工程的安全施工提供了准确信息，指导优化了工程设计，节省了勘察资源。