综合超前地质预报法在构造区隧道中的应用

黄智海 黄保胜

摘要：为确保隧道开挖的安全性，降低地质灾害的概率和破坏程度，开展隧道施工超前地质预报工作是目前最有效的方法。文章采用地质调查法和TSP地震预报法在某构造区隧道进行综合超前地质预报应用研究，并进行了开挖结果验证分析。研究结果显示：穿越构造区的隧道围岩软硬程度分明，结合地质调查的TSP地震预报法结果能很好地反映软弱岩带及破碎带等不良地质体位置;采用地质调查法和TSP地震预报法的综合超前地质预报法在构造区隧道施工超前地质预报中是实用的和有效的。

关键词：构造区;地质调查法;TSP地震预报法;综合超前地质预报法

0 引言

随着高速公路网建设不断推进，新建高速公路越来越向偏远山区发展。隧道是跨越崇山峻岭的最有效方法，因此不断出现大量隧道建设[1]。隧道区址构造发育、地质情况复杂是目前山区隧道建设中经常遇到的难题。隧道建设过程中往往由于隧道区址地形地貌复杂导致无法进行有效的前期勘察，施工单位只求进度盲目施工，加上客观地质情况复杂多变等等因素导致出现突水突泥、冒顶崩塌等工程事故，甚至进一步引发地表塌陷、建筑物下沉及破裂、地下水枯竭等严重生态环境问题，对隧道施工安全、人民及财产安全造成了极大的影响[2-4]。为了更详细具体地探测查明隧道开挖面前方的水文地质和工程地质情况，指导工程建设的顺利开展，降低地质灾害的概率和破坏程度，为优化工程设计提供地质依据，开展隧道施工超前地质预报工作是目前最有效的方法。隧道施工超前地质预报方法分为物探类和地质类方法。地质类方法主要有超前钻探法、超前导坑预报法和地质调查法等[5-7]。地质调查一般为超前地质预报必做内容。隧道施工超前地质预报应用较多的物探方法主要有地震波法和电磁法[8-11]。地震波法主要为TSP/TGP地震预报法、TRT地震反射层析成像法等;电磁法主要为GPR探地雷达法和TEM瞬变电磁法。TSP是地震波发射法的其中一种，具有较大的预报长度，对隧道施工干扰小，对软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等不良地质体预报灵敏，是整体把控隧道掌子面前方地质灾害风险的重要手段，这也是TSP较电磁法具有的独特优点，在国内外隧道建设中广泛应用。本文通过采用地质调查法和TSP地震反射法的综合地质预报法在构造区隧道进行超前地质预报，探讨预报效果并与开挖结果进行比对分析。

1 地质调查法

地质调查法是以隧道工程地质勘察、洞内外地质观察素描等资料为基础，将隧道开挖所揭露的地质构造、地层岩性、不良地质、地下水出露等地质情况准确记录下来并绘制成图表，使用趋势分析、地质作图和常规地质理论等技术手段进而判定隧道掌子面附近围岩的完整性、稳定性和推断掌子面前方一定范围内将会出现的地质情况。

2 TSP地震预报法

TSP地震预报法是一种多波多分量高分辨率地震反射法[2]。在设计的震源点用小量炸药激发产生地震波，为了能够接收到有效的反射波通常将震源点布置在地层或构造的走向与隧道轴向相交成锐角的边墙上，大约24 个炮点。在岩石波阻抗存在差异的位置（如岩性变化、断层和破碎带等）时，有一部分地震波会反射回来，有一部分地震波会透射进入前方介质继续向前方传播。具有高灵敏度的加速度地震传感器将接收并以数字形式记录下来反射回来的地震信号，采用专门的数据处理软件进行数据处理，结合隧道勘察资料、洞内外地质调查结果，综合分析隧道工作面前方地质体的性质（软弱岩帶、破碎带、断层、含水岩层等）、位置及规模[2]。

TSP地震预报法数据现场采集工作主要包括：根据隧道现场具体情况合理灵活布置观测系统，按照设计要求规范钻孔、安装套管，通过试验或根据经验进行炸药装填，仪器连接与测试，噪音检查，进行数据采集。

TSP地震预报法数据处理的内容主要有[5]：根据探测目的长度设置数据长度、带通滤波去除噪声干扰、初至拾取及拾取处理获取直达波速、炮能量均衡进行能量补偿、Q因子估算、反射波提取、纵横波分离、速度分析、深度偏移、反射层提取等。其中Q因子估算、速度分析等环节尤为关键。

目前很多从业人员解译TSP结果原则千姿百态，这是因为TSP结果中几个岩石力学参数可能存在互相矛盾之处，比较成熟可靠的还是根据纵波波速推断前方地质情况。综合较多文献及实际工作经验，本次结果解译主要采用最为稳妥的纵波Vp进行地质解译。

3 实例应用

3.1 工程概况及地球物理特征

百布隧道位于靖西县地州乡乐村百布屯，为连拱隧道。隧道区属岩溶峰丛谷地地貌，山峰陡峻高大，地形起伏较大，山体连绵起伏。拟建隧道穿越一山体，谷地和山顶高程为759～873 m，相对高差约115 m，最大埋深约90 m。隧道两端为灰岩出露区，中间为页岩出露区。进口段为一坡积裙，覆盖残坡积黏土、块石等，斜坡自然坡角为20°～25°。出洞口段山体斜坡自然坡角为40°～45°。地表植被一般发育，主要为松木、杂草、灌木等。隧道区场地覆盖层主要为第四系残坡积层黏土和粉质黏土覆盖，基岩有三迭系下统罗楼组灰岩和三迭系中统平而关群页岩，山体基岩出露完好灰岩和零星页岩。场地内褶曲发育，岩层产状多变，灰岩与页岩二者为平行不整合接触关系。隧道约2K21+220～2K21+350段位于上屯向斜核部，受向斜构造影响，该段岩层褶曲发育，岩体极破碎。由上述可见：隧道洞身围岩完整性主要受岩性和地质构造控制，隧道穿越一套完整向斜地层，围岩风化、破碎、裂缝发育程度等方面存在明显差异，从而导致围岩波速存在明显差异，为TSP应用提供了物性基础。

3.2 地质调查

隧道约2K21+220～2K21+350段位于上屯向斜核部，受向斜构造影响，该段岩层褶曲发育，岩体极破碎。本次超前地质预报掌子面里程桩号为2K21+250，掌子面素描图见图1。岩性主要为深灰色中风化页岩，粉砂质结构，页理构造，岩质软，节理裂隙极发育，岩体破碎-较破碎，岩体开挖易发生层状剥离松动，易剥落掉块，围岩无自稳能力。调查时掌子面呈稍湿状，未见明显渗水。隧道出口前方约70 m为自西向东横切测区的陇金逆断层，断层走向为300°，倾向为南西，倾角为30°～50°。受该断层影响，隧道出洞口灰岩被挤压切割呈块状、巨块状。隧址区的岩溶地下水类型主要为管道-裂隙型，主要接受大气降雨入渗补给，区内地下水位处于隧道底板以下，水量不丰富，一般情况下隧道施工不会发生突泥、突水地质灾害。但是由于有断层构造和岩溶不良地质存在，不排除由于雨季施工时区内地下水补给量的增大，从而引发突泥、突水地质灾害。

3.3 综合超前地质预报法结果

本次TSP地震波反射法探测接收器位置布置在中导洞2K21+185，2个三分量接收器分别位于中导洞左、右边墙，设计24个炮孔，位于中导洞左边墙，炮孔间距约为1.5 m，2D预报成果见图2，由掌子面向大里程方向进行预报。综合地质调查结果，预报结果分析如下：

（1）掌子面前方0～46 m（2K21+250～2K21+296）范围纵波速整体相对较高，局部降低，横波波速整体较低，局部有波动，纵横波速度比和泊松比多在正常值范围。推断该范围为与掌子面情况相近，岩性为中风化页岩，岩体较破碎-破碎，岩体裂隙较发育-发育，地下水弱发育。围岩整体稳定性较差，详细定级为Ⅳ级。

（2）掌子面前方46～80 m（2K21+296～2K21+330）范围纵波速整体较低，局部急剧降低，横波波速整体较高。推断该范围为隧道区向斜构造的核部，岩性为中风化页岩，受向斜构造及断层构造的影响，节理裂隙极发育，岩体极破碎，地下水较发育。围岩稳定性极差，详细定级为Ⅴ级。

（3）掌子面前方80～104 m（2K21+330～2K21+354）范围纵波速度增大，横波波速整体较高，纵横波速度比和泊松比增大。推断该范围为岩层接触带，岩性为中风化页岩、灰岩，受向斜核部及岩性接触带共同影响，岩体破碎-极破碎，裂隙发育-极发育，岩溶较发育。围岩自稳能力差-极差，详细定级为Ⅴ级、局部Ⅳ级。

（4）掌子面104～128 m（2K21+354～2K21+378）范围纵波速降低，横波波速较高，纵横波速度比和泊松比在合理范围。该范围为隧道出口浅埋段，岩性为中风化灰岩，局部夹土，受隧道出口前方陇金逆断层影响，岩体以巨块状、块状结构为主，裂隙极发育，岩体极破碎，掘进开挖时岩体松动位移、掉块。围岩自稳能力极差，详细定级为Ⅴ级。

3.4 开挖验证

本次预报范围内隧道穿过向斜核部及岩性接触带，该处围岩的软硬程度、破碎程度、裂隙发育程度等与相邻段围岩有着显著变化。通过预报结果与开挖结果分析，验证超前地质预报的效果。2K21+312掌子面岩性为强-全风化页岩，浅黄-灰黑色，薄层状构造，岩体极破碎，节理裂隙极发育，质软，遇水松散软化，岩层倾向较陡，围岩稳定性极差。开挖结果表明2K21+312前后段为向斜核部及岩性变化过渡带，与综合超前地质预报法2K21+296～2K21+330段纵波波速显著降低结果一致吻合，对应性非常好。施工单位根据综合超前地质预报结果在该段提前把开挖方法由全断面开挖变更为环形开挖留核心土法，采用短进尺、强支护施工方法，避免了坍塌等不良地质灾害的发生，有效地保证了隧道开挖掘进的安全性。

4 结语

（1）构造区隧道围岩地质完整性存在明显差异，采用地质调查法和TSP地震预报法的综合超前地质预报法能很好地反映软弱岩带及破碎带等不良地质体位置，在构造区隧道施工超前地质预报中是实用的和有效的。

（2）采用地质调查法和TSP地震预报法的综合超前地质预报法进行长距离预报，整体把控风险是可行的，在进行地质解释时尤其要注意与已知地质资料相结合。

参考文献：

[1]赵永贵，刘 浩，孙 宇，等.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展，2003，18（3）： 460-464.

[2]王登锋.TSP在广大线下庄1号隧道超前地质预报中的应用研究[D].成都：西南交通大学，2016.

[3]周 捷，席錦州.综合超前地质预报在新铜锣山隧道中的运用[J].现代隧道技术，2017，54（4）：207-212.

[4]徐 磊，张建清，漆祖芳.水工隧洞综合超前地质预报应用对比研究[J].地球物理学进展，2018，33（1）：411-417.

[5]李俊杰，张红纲，何建设，等.综合物探技术在方解石隧洞段涌水预报中的应用[J].地球物理学进展，2019，34（2）：737-744.

[6]唐曾智，田新成，李二兵，等.综合超前地质预报在岩溶隧道施工中的应用[J].西华大学学报（自然科学版） ，2017，36（5）：91-96.

[7]赵永贵.国内外隧道超前预报技术评析与推介[J].地球物理学进展，2007，22（4）：1 344-1 352.

[8]曾胜强，刘争平，奉建军，等.隧道反射地震超前预报波场分离方法的数值模拟研究[J].地球物理学进展，2019，34（2）：817-825.

[9]牟元存，王光权，李 星，等.提高TSP法预报效果的数据处理技巧[J].铁道勘察，2017（5）：76-78.

[10]薛国强，李 貅.瞬变电磁隧道超前预报成像技术[J].地球物理学报，2008，51（3）：894-900.

[11]张 杨，杨 君，周黎明，等.TSP在隧道工程施工中的常见干扰和对岩体裂隙水及软弱夹层等的预报研究[J].地球物理学进展，2018，33（2）：892-899.