超前地质预报在夹岩水利枢纽工程长石板隧洞开挖中的应用

郭毅 胡畔 刘骅彪

摘要：夹岩水利枢纽工程深埋长隧洞穿越强岩溶地层，地下岩溶管道、暗河发育，水文地质条件复杂，施工安全隐患较大。该工程长石板隧洞果木洼地浅埋段地下水丰富，在施工过程中选择了TSP203地震反射波+加深炮孔法进行超前地质预报。介绍该方法在输水隧洞浅埋段的使用情况及取得的效果。结果表明：采用上述超前地质预报方法，安全完成了该段的开挖工作，实际开挖的地质条件与超前地质预报结果相吻合。该方法耗时短、费用低，适合在围岩地质条件差、地下水丰富地区的隧洞开挖中使用。

关键词：浅埋段隧洞;地质超前预报;地震反射波;隧洞开挖;夹岩水利枢纽工程;贵州省

中图法分类号：U452.11文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.004

Abstract： The deeply buried long tunnel of the Jiayan Hydro-complex Project passes through strong karst strata where the underground passages and rivers are well developed and the geological conditions are complicated， threatening construction safety. The underground water at the shallow-buried section of Guomu low-lying area of Changshiban tunnel is abundant， the advance geological forecast method using TSP203 seismic reflection plus deepened blasthole was adopted in the construction process. The application of this method in shallow-buried section of the water diversion tunnel and its effect are introduced. The results showed that the excavation was completed safely by using the method， and the actually excavated geological conditions were consistent with the forecasted results. The method is time saving and low cost， which is suitable for the tunnel excavation in areas of poor surrounding rocks and abundant underground water.

Key words： shallow-buried tunnel; advance geological forecast; seismic wave reflection; tunnel excavation; Jiayan Hydro-complex Project;Guizhou Province

1 工程概況

夹岩水利枢纽工程（以下简称“夹岩工程”）是国家重点水利工程，其主要功能是城乡供水和灌溉，兼顾发电，并为区域扶贫发展和改善生态环境创造条件。该工程灌区输水隧洞横穿乌蒙山脉，平均埋深300～620 m（王家坝隧洞长19.2 km，猫场隧洞长15.7 km，水打桥隧洞长20.6 km，长石板隧洞长15.4 km）。该项目位于典型的喀斯特地区，岩石性质和结构复杂多样，需穿越岩溶地层和地下暗河，水文地质条件复杂，富水地区极可能暴露出富水断层和岩溶发育，岩溶和地下水问题尤为突出。据统计，当隧洞穿过暗河管道时，最大进水量超过2 m3/s，施工存在较大安全隐患。

夹岩工程长石板隧洞果木洼地浅埋段位于长石板隧洞K8+140～K8+270段（长130 m），埋深40～52 m，隧洞穿越地层岩性为T1yn4中至厚层溶塌角砾岩、泥质白云岩，T1yn4中至厚层灰岩上部夹少量中至厚层泥质白云岩及白云质灰岩。地下水类型为基岩裂隙水、岩溶溶隙水，洞身段处于地下水位以下。

2 超前地质预报技术

目前，在地质条件复杂的隧洞施工过程中大力推行超前地质预报指导施工。由于超前地质预报的方法很多，采用一种方法进行预报容易出现预报结果不准确的情况。现阶段，我国隧洞施工中常用“物探法+钻探法+地质分析法”进行综合超前地质预报，该方法准确性较高。通过合理的隧洞超前地质预报，能够减少或避免隧洞施工安全事故的发生，提高隧道工程的经济效益。

2.1 超前地质预报目的

夹岩工程隧洞总长达185 km，属于隐蔽工程，受到勘察设计精度和其他因素的制约，单纯依靠勘察设计单位前期提交的设计图纸，无法准确判断出隧洞前方的地质情况。而在施工过程中，通过超前地质预报可以查明隧洞掌子面前方可能存在的较大不良地质缺陷的规模、空间分布情况等，以便在施工过程中辅助设计单位及时做出正确的处理预案，特别是汛期，可以有效地预测并预防涌水涌泥等突发事故的发生，确保工程施工顺利进行，避免安全事故或造成人员伤亡。

2.2 超前地质预报内容

（1）不良地质预测及地质灾害预报。预报隧洞掌子面前方未掘进段10～150 m范围内有无富水、突泥、溶洞空腔等情况，并查明其范围区域、规模大小、具体性质，提出合理的施工措施或处理建议。

（2）水文地质预报。预报隧洞内富水段突涌水量及可能的变化规律，并评价其对施工环境的影响。

（3）裂隙及其破碎带的预报。预报裂隙的大致位置、涉及宽度、产状分布、充填物的状态是否为充水裂隙，并判断裂隙稳定程度，提出合理的施工对策。

3 超前地质预报应用

夹岩工程采用地质调查宏观预测、TSP长距离物探预报、地质雷达短距离物探预报、红外探水物探预报、超前探孔钻探预报、加深炮孔钻探预报等多种方法进行综合预报，坚持多种预报方法在前，先探测后掘进，力求最大限度查明隧洞不良地质体和地下水状况，以确保隧洞施工安全[1]。

3.1 超前地质预报方法选择

根据初步设计提供的地勘资料，长石板隧洞果木洼地浅埋段存在基岩裂隙水、岩溶溶隙水，洞身段处于地下水位以下。在掘进至此段时，提出了以TSP长距离物探预报为主，其他短距离预报相结合的超前地质预报方法。

（1）TSP203地震反射波+地质雷达法。利用地质雷达探测隧洞掌子面前方20 m范围内破碎带、空洞效果较好的特点进行组合[2]，但地质雷达无法较准确探明隧洞前方的地下水情况。

（2）TSP203地震反射波+超前探孔法。结合TSP长距离物探的结果，有针对性地布孔，利用地质钻机对掌子面前方20～30 m范围进行钻孔取芯，通过钻孔效率、出水量大小、冲洗液颜色、岩芯性质判断隧洞前方围岩类别和地下水情况[2-3]。通过该方法能准确预判掌子面前方的情况，但由于钻孔取芯时间较长和价格较高，不利于工期和投资控制。

（3）TSP203地震反射波+加深炮孔法。加深炮孔可与掌子面炮孔同时作业。一般加长钻杆在掌子面前方6～9 m，可通过钻孔效率、出水量大小、出水颜色判断隧洞前方围岩类别和地下水的情况，该方法钻孔速度快，价格低，利于控制工期和投资[2-3]。

长石板隧洞果木洼地浅埋段地下水发育丰富，初步设计时已对地质情况进行了勘察，故在施工过程中选择超前地质预报方法时选用了有利于工期和投资控制的TSP203地震反射波+加深炮孔法。本文主要介绍地震反射波超前预报法（TSP）和加深炮孔法在输水隧洞浅埋段配合使用及取得的效果。

3.2 TSP203地震反射波超前预报法

沿着隧洞邊墙的岩体内引爆少量炸药，便可产生地震波信号。在TSP203预报系统中采用高灵敏的具有良好动态响应特性的传感器和一对21位的模数转换器，保证该测量系统具有较大的地震波记录范围，通过TSPwin软件处理可以获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射在探测范围内的2D或3D空间分布。通过分析这些信息能够对隧洞工作面前方围岩工程地质情况的性质、位置和规模进行比较准确的探测和预报，可预报隧洞前方100～150 m范围内及周围临近区域的地质状况。

3.2.1 现场布设及使用过程

（1）钻孔。接收孔：在长石板隧洞里程K8+080的右边墙位置布置1个地震波信息接收孔，接收孔直径为φ50 mm，距掌子面60 m，距第一个爆破孔17 m，孔深约为1.8 m，孔高约1.2 m。爆破孔：在长石板隧洞K8+097～K8+126的右边墙，第一个爆破孔距接收孔17 m，其余19个爆破孔按约1.5 m的间距布置呈直线分布，分别激发地震波，孔径约为φ45 mm，孔深约1.5 m。

当接收孔和爆破孔钻孔完成后，采用孔径稍小于钻孔孔径的PVC管保护钻孔防止塌孔，埋设完接收器或炸药后再将PVC管取出。图1为TSP203地震反射波观测、接收系统平面示意。

（2）接收器埋设。在现场测试前至少12 h，将特殊接收器套管插入孔中，并将环氧树脂注入到孔中以使其与周围的岩体粘结，保持接收器套管和周围的岩体耦合良好。在现场测试中，将接收传感器安装在专用外壳中，并将电缆连接到TSP主机。

（3）炸药埋设。牢固连接瞬时动力雷管和炸药，将其插入爆炸孔底部，然后向孔中注水。电雷管的两根导线在孔的外侧连接到雷管。每个爆破孔根据周围岩石的硬度和完整性以及与接收传感器位置的距离（爆破孔中的装药量约为66～150 g），填充不同数量的乳化炸药。

（4）试验数据的采集。收集爆破信号时，应停止周围300 m之内的所有施工干扰。 地震波从第一个爆破孔（靠近接收传感器）被激发。记录器将同时启动并记录地震波信号，记录右壁传感器的3个分量信号。自动记录后，地震波会在其他发射孔中激发，并收集现场测试数据，直到记录最后一次发射。该测试实际上发射了20炮，并记录了20次地震波数据。

3.2.2 探测数据处理及分析

TSPwin地震数据处理程序主要有12个步骤（数据设置、带通滤波、初至拾取、拾取处理、炮能量均衡、Q值估计、反射波提取、Q滤波、P波和S波分离、速度分析、深度偏移、反射层提取），反射层提取后，反射层中主要反映探测范围内几何空间上的构造物理信息（包括反射强度和反射极性），TSP处理成果的解释应遵循下述准则。

（1）反射幅度越强，反射系数越大，弹性阻抗的差异越大。正反射幅度表示正反射系数，即坚硬岩石。负反射幅度表示岩石较弱。

（2）如果横波（S）反射比纵波（P）反射强，则表明在反射岩石中富含有盐水或饱和水。

（3）纵波波速（Vp）/横波波速（Vs）增加或泊松比突然增大，通常是由流体的存在而引起。

（4）若纵波波速（Vp）下降，则表明裂隙度或孔隙度增加。

（5）根据TSP预报结果，结合前期TSP预报成果及工程地质资料进行综合分析，判断掌面前的地质状况，推测不良地质体的特征和位置，分析地下水的发生和围岩的完整性，并预测掌子面前的围岩类型。

3.2.3 探测结果

结合设计，地勘探测结果为：前方隧洞洞身段岩体埋深浅，岩性主要为溶塌角砾岩、泥质白云岩，遇水易软化，岩体风化破碎严重，以全风化为主，岩体破碎～极破碎，岩质软～极软，节理裂隙很发育，裂隙夹黏土，地下水发育。应配合钻探手段查明水质、水量后制定合理的处理措施。图2为TSP203地震波探测得到的反射层位及物理力学参数探测结果截图。

3.3 加深炮孔法

加深炮孔探測是利用风钻或凿岩台车等在隧洞开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息的一种方法。加深炮孔探测适应于各种地质条件下隧洞的超前地质探测，尤其适用于岩溶发育区。依靠对钻进速度和岩渣变化以及钻孔涌水状况、水压、水量、颜色、水质等预测前方围岩、地下水变化。

3.3.1 现场布设及使用过程

根据长石板隧洞果木洼地段断面结构形式和不良地质情况，使加深炮孔与掌子面炮孔同时作业，在隧洞每一循环开挖爆破时布置5个加深炮孔并结合200°的外插角探测掌子面前方9 m的围岩情况。

3.3.2 探测结果

长石板隧洞在里程K8+136使用加深炮孔时，打钻过程中出现了钻孔工效降低、钻孔过程中卡钻、孔内涌水量增大、孔内涌泥等情况。判断隧洞前方岩性主要为溶塌角砾岩、泥质白云岩，遇水易软化，地下水丰富，且涌水量较大，容易发生涌水涌泥等地质灾害。

4 超前地质探测预报结果及处理措施

综合隧洞K8+140～K8+270（130m）段TSP地震反射波超前预报法和加深炮孔法的预报成果，结合掌子面地质隧洞素描和地质勘察相关资料，得到如下结论及处理措施。

（1）在K8+140、K8+154、K8+177、K8+198、K8+218附近存在软弱夹层或节理密集带，具备岩溶发育条件，该段位于果木盆地，地势低洼，地表水丰富，易发生涌水突泥等地质灾害，预报该段总体围岩类型为V类。

（2）根据超前地质预报结果，对施工组织进行了及时调整，封闭掌子面，对掌子面增加超前大管棚灌浆和深孔固结灌浆，改良前方地层的稳定性，为后续施工提供基础;同时在施工过程中，对前段施工全过程做好监控量测，做好应急预案，确保施工安全。

5 超前地质探测预报取得的效果

夹岩工程长石板果木洼地浅埋段，通过采用TSP203地震反射波+加深炮孔的超前地质预报法，已安全完成了该段的开挖工作，实际开挖的地质条件与超前地质预报的结果相吻合。该方法耗时短、费用低，适合在围岩地质条件差、地下水丰富的短进尺隧洞开挖中使用。

6 结 语

TSP203地震反射波超前预报法和地质雷达探测预报法均属于物探法预报，利用波的反射原理和各种特性，通过特殊计算方式预报隧洞前方地质情况，适用于长距离和短距离的地质预报。加深炮孔法属于钻孔探测法，可在不单独占用施工时间的情况下进行，精准度高，适用于短距离地质预报，如遇涌水涌泥地段，可预测涌水量和含泥量等信息。夹岩工程灌区输水深埋长隧洞施工全段采取TSP203中长距离预报在前，短距离加深炮孔法预报在后的方法，先探后掘。目前洞室开挖已基本完成，预测到较大涌水20余次、涌泥4次，均及时启动应急预案，避免了安全事故和人员伤亡事故，确保了工程施工的顺利进行，并取得较好效果。该工程实践经验值得在水利工程施工中推广应用。

参考文献：

[1] 晏军. 岩溶隧道超前地质预报几种主要物探方法的选择与实践[J/OL]. 隧道建设（中英文）：1-12[2020-06-10]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1745.U.20200507.1541.010.html.

[2] 谭信荣. 岩溶地区瓦斯隧道施工关键技术研究[D]. 成都：西南交通大学，2010.

[3] 朱劲. 超前地质预报新技术在铜锣山隧道的应用及综合分析研究[D]. 成都：成都理工大学，2007.

（编辑：李 慧）