超前地质预报在隧道施工中的应用技术研究

王昊森 张卫卫 陈雷 汪久阳 张鹏飞

摘要：文章介绍目前隧道施工中进行超前地质预报的主要内容和重要意义，以郑州至西峡高速公路尧山至栾川段木扎岭隧道为例，介绍其超前地质预报所使用的仪器和原理，以及具体的超前预报方法、原理以及地质条件结论分析，并给出了相应的隧道开挖施工建议。

关键词：超前地质预报；隧道施工；应用技术

1引言

近年来随着我国经济的发展和道路交通事业的快速发展，我国的公路建设尤其是高速公路建设的里程不断增加，且逐渐向我国山区等地势较为险峻和复杂的地区，因此在这些地区中进行高速公路的建设就需要进行隧道建设来针对这些地区的地形地貌等问题进行解决。而在这些较为复杂的地质围岩中进行隧道施工，容易遇到溶洞、富水区以及断层破碎带等，从而影响隧道施工的安全。这就需要通过超前地质预报技术来提高对地质灾害预测的准确性，真正展现施工地区的地质情况，为施工方案和地质灾害预防方案的制定提供准确的数据和技术支持。

2隧道施工超前地质预报研究现状与发展趋势的重要意义

2.1超前地质预报的主要内容

进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，预报施工隧道掌子面前方的不良地质灾害，进而正确指导隧道工程的安全施工。降低地质灾害发生的机率和危害程度，确保隧道施工安全。由于进行预报，能够提前了解开挖面前方围岩的地质情况，并在施工中有针对性地采取预防措施，因此，能够有效地控制突水、涌水、塌方等地质灾害的发生，从而避免或减少由此造成人员及设备的损伤等。为设计支护参数的合理变更提供必要的依据。通过地质预报，可以获得开挖面前方存在的特殊地质现象，以及岩层的物性和力学参数，为设计支护参数的合理变更提供必要的依据。确保质量，控制投资。有了地质预报，能够及时了解隧道围岩存在的地质情况，提前对软弱岩层进行预加固，合理变更施工参数，确保隧道连续掘进，赢得施工时间。

2.2超前地质预报的主要意义

超前地质预报是在分析既有地质资料的基础上，采用地质调查、地质素描、物探、超前地质钻探等手段，对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测、分析判断及预报，并提出措施建议。为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧道涌水、突水、围岩失稳等可能形成的灾害性事故及时提供信息，便于施工单位提前做好预案，保证施工安全。

3超前地质预报技术分析

3.1工程概況

郑州至西峡高速公路尧山至栾川段木扎岭隧道为一座左、右线分离的双向四车道高速公路隧道，位于河南省鲁山县与嵩县交界处木扎岭附近。隧道全厂6570m。其中二标段隧道区属侵蚀大起伏中山地貌，海拔在880～1150m，地形起伏不平，总体地势南高北低，山势陡峻，沟谷深切，山间植被茂盛，根系发达。本隧道区分数华北地层区，区分上覆地层为第四系更新统的残坡积碎石土，分布不连续，主要分布在坡脚处，下伏基岩为中生界花岗岩。隧址区地下水类型为松散岩类孔隙水和块状基岩裂隙水。松散岩类空隙水分布在更新统碎石土层，该层含水层富水性一般，含水量含降水影响大，地下水大多受大气降水渗入补给。

3.2地质超前预报的仪器和技术原理

为进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件，指导工程顺利进行；降低地质灾害发生的几率和危害程度；为优化工程设计提供地质依据；为编制竣工文件提供地质资料，因此需要在隧道开挖之前进行超前地质预报工作。所采用的地质预报仪器为美国劳雷公司的地质雷达携带100MHz屏蔽天线，以及瑞士马拉雷达进行掌子面前方地质超前预报。其工作原理就是：高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经过目标体反射或透射，被接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下截面或目标体的空间位置或结构状态。地质雷达具有分辨率高、无损、操作简便、抗干扰能力强等特点，适用于各种环境条件。

4超前地质预报工作方法及其在隧道施工中的实际应用

4.1超前地质预报方法

仪器设备的信号增益控制具有指数增益功能，模数转换大于16bit，具有8次以上信号叠加功能，连续测量时，扫面速率大于每秒128次。通过试验选择合适的仪器参数，采样率宜选用天线中心频率的6倍～10倍。支撑天线的器材应选用绝缘材料，天线操作人员不应佩戴金属物件。测试过程中天线应紧贴岩壁，水平测线高度基本一致，垂直测线应保持铅直。现场采用连测时，应匀速缓慢移动天线，保证点距不大于20cm；采用点测时，点距宜为20cm，采样时保持天线静止。

4.2超前地质预报的原理

地质预报的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式进行记录，以波形或者灰度显示探测雷达剖面图。地质雷达探测资料的解释主要有数据处理和图像解释两部分内容。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，为进一步解释提供清晰可变的图像。对于异常的识别应结合已知到未知，从而为识别现场探测中遇到的有限目的体引起的异常，以及对各类图像进行解释提供了依据。在本次预报中所使用的设备为美国GSSI公司生产的SIR3000型地质雷达，探测剖面如图4.1所示。探测中使用了100MHz频率天线，时窗分别设置为600ns。得出的木扎岭隧道左线进口ZK25+462掌子面素描图如4.2所示。可以看出ZK25+462开挖掌子面围岩岩性为微风化花岗岩为主，块状构造，围岩岩体较完整，结构结合面一般，稳定性较好，受地质构造影响较大。

4.3预报区段的工程地质条件和结论分析与建议

掌子面前方同相轴连续性一般，电磁波振幅较强；据此推测前方围岩为微风化花岗岩为主，块状构造，节理裂隙较发育，围岩岩体较完整，结构结合面一般，稳定性一般。综合地质工程师分析与判断结果，预测里程桩号为ZK25+462～ZK25+492段的工程地质条件如下：岩性为微风化花岗岩为主；结构构造主要为块状结构；断层破碎带为前方无明显破碎带；无明显地下水；未发现有较明显岩溶发育情况。针对上述情况可以得出工程地质条件为：围岩以微弱风化花岗岩为主，块状结构。围岩岩体较完整，结构结合面一般，层理面是控制隧道围岩稳定的主要因素，对围岩稳定性影响大。总体上，隧道前方的围岩较稳定，拱顶无支护时拱顶易掉块，所以开挖后应及时支护。周边地质情况与隧道内的围岩基本相同。通过以上分析可以预测里程桩号为ZK25+462～ZK25+492段掌子面前方0～30m范围为Ⅲ级围岩。建议该段范围严格按照原设计图纸施工，采取“短进尺、少扰动、紧加固、勤量测、早封闭”等技术措施以确保施工安全；加强洞内拱顶下沉、周边收敛监测，监测频率1～2次/天，随时掌握洞内拱顶的稳定性，根据量测数据及时调整开挖进尺等施工参数。

5结语

在对隧道施工中所使用的超前预报方法的内容和意义进行介绍之后，了解此技术可以对隧道地质安全事故的发生概率进行有效降低，从而对于确保施工人员和隧道施工的安全具有重要作用。而且需要在隧道施工中采用超前地质预报技术之前根据隧道工程结构特点来进行选择，严格控制操作流程来确保探测结果的准确性，有效确保隧道施工的质量和安全。

参考文献：

[1] 苏校锋. 隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J]. 环球人文地理，2017（7）.

[2] 周建春，李卫民，魏琴，等. 复杂环境大断面隧道施工超前地质预报技术与工程应用[J]. 中外公路，2016（4）：238-241.