综合超前地质预报法在花岗岩球状风化体探测中的应用

朱俊 张志强

【摘要】球状风化体是花岗岩地层中十分常见和突出的不良地质体，是由于花岗岩长期受不均匀风化作用所致。球状风化体的存在，直接影响隧道施工的安全性、高效性和经济性，准确地探明球状风化体分布情况是花岗岩地层中隧道工程面临的难题。文章介绍利用工程地质调查法确定球状风化体地表分布密集段，通过地质探地雷达法和地震反射波预报法双重物探手段揭示球状风化体密集段的风化界面，最后采用超前水平钻探法对掌子面前方球状风化体进行精确定位。结果显示，综合超前地质预报法能有效揭示球状风化体的空间分布，可较好地解决花岗岩地层中地质勘察难题，能为后续隧道施工提供科学依据。

【关键词】球状风化体; 综合超前地质预报法; 工程地质调查法; 物探法; 钻探法

【中国分类号】U456.3+3【文献标志码】A

我国华东、华南地区分布着十分广泛的花岗岩地层。受地质构造作用，花岗岩中节理裂隙发育，导致岩体破碎、抗风化能力减弱，节理裂隙处花岗岩受风化作用更为显著，随着风化程度加剧，裂隙处花岗岩长石、黑云母等全风化形成残积土，而石英不易风化而逐渐形成球状风化残留核，俗称“孤石”[1]。球状风化体是花岗岩地层中发育和突出的不良地质体。

球状风化体分布离散性大，大小、形状都具有随机性，且强度一般在100 MPa以上，与周围岩土体存在较大差异，破坏了花岗岩风化剖面的相对均匀性。未探明的孤石对隧道工程施工带来重大安全隐患，轻则损坏机械设备，重则造成地表坍塌或支护结构变形。

花岗岩球状风化体的产生和分布具有相当的不确定性，难以准确定位，为减少其对隧道工程施工的风险，迫切需要一种快速、准确的探测、定位方法。

近年来，在国内已有的球状风化体探测[2-6]工程案例中，主要采用钻探法和物探法的手段。钻探法能准确揭示球状风化体在钻孔经过处的高度和特征，但探测范围十分有限。物探法可以从宏观的角度得到球状风化体的空间分布情况，应用十分广泛;目前针对花岗岩地层中球状风化体探测的物探法多种多样，由于每类探测方法是以地质介质的某一性质（如弹性性质、导电性质、导热性质等[7]）差异为物理基礎的，每类技术有各自的适用范围、敏感特性和优缺点，因此采用单一的物探法往往具有一定的局限性。

鉴于此，本文提出采用“工程地质调查法+地质探地雷达法+地震反射波预报法+超前水平钻探法”相结合的综合超前地质预报方法对花岗岩球状风化体进行探测，并成功应用于广东汕湛高速公路汕头至揭西段横山隧道，取得了良好的效果，该方法能够为超前地质预报的发展及球状风化体探测的工程应用提供科学合理的指导。

1 工程简介

横山隧道位于汕头市潮阳区河溪镇华阳上坑村附近，该隧道为一座分离式双洞长隧道，分左、右线呈直线型展布，总体轴线方向为南东约105 °。左线隧道起讫桩号为LK17+957～LK19+418，长度为1 461 m;横山右线隧道起讫桩号为K17+959～K19+409，长度为1 450 m。横山隧道穿过丘陵地貌区，地形起伏大，山体植被茂密。隧址区地层岩性主要为第四系坡残积砂质黏性土（Q4dl+el）及燕山期花岗岩（γ52）及花岗闪长岩（δ），少量辉长岩（ω）。从隧道线路平面上来看，隧道左线洞口LK18+000至里程LK18+160段，地表球状风化体分布密集，大小不一，形状各异，直径从几厘米至十几米皆存在，但球状风化体直径大多数在2～5 m之间，多分布于坡体两侧，堆积于坡脚处;里程LK18+160之后的地段，地表球状风化体分布不集中，较为分散。

2 综合超前地质预报方案

在横山隧道中，采用工程地质调查法、地质探地雷达法、地震反射波预报法和钻探法相结合的方法进行球状风化体探测，即首先对球状风化体所在区域进行详细的工程地质调查，对球状风化体可能发育的区域进行预判，以指导物探和钻探工作区域的选取;然后采用地质探地雷达法和地震反射波预报法从宏观层面上对球状风化体的风化界面进行揭示，为钻探布置深度提供指导;最后采用钻探法对局部地段球状风化体的发育情况、赋存特征、地质特征进行详细的揭示。

3 预报结果分析

3.1 工程地质调查法分析

在工程地质调查工作中，沿横山隧道左线线路两侧，对距左线300 m范围内出露球状风化体的位置、大小、风化程度等特征进行记录和汇总分析。球状风化体的地表分布特征如下所述：

（1）从隧道线路平面上来看，隧道左线洞口LK18+000至里程LK18+160段，地表球状风化体分布密集，多分布于坡体两侧，堆积于坡脚处;里程LK18+160之后的地段，地表球状风化体分布不集中，较为分散。

（2）从地表球状风化体形态来看，球状风化体往往具有近似椭球形外观，两头竖向高度较小，往中部发展竖向高度变大。球状风化体在风化层中赋存时，其长轴面并不都是水平的，有时呈倾斜分布。球状风化体的大小随着风化程度的增强而减小，而数量却随着风化程度的增强而增加。在球状风化体群中，大、小直径球状风化体并行出现，说明球状风化体的大小受到局部岩性条件和地质条件等因素的影响。

综合来看，地表球状风化体主要出露于LK18+000～LK18+160段，该里程段为球状风化体高风险区域。因此，在采用地质探地雷达法和地震反射波预报法进行隧道内球状风化体探测的过程中，应对该段进行详细地探测。

3.2 地质探地雷达法分析

选取横山隧道地质探地雷达超前预报的LK18+043～LK18+066段节理裂隙密集带预报成果，通过将超前预报结论与实际开挖结果进行对比分析，探寻解译图像的规律性（图1、图2）。

如图1、图2所示，地质探地雷达探测掌子面里程号为LK18+043，掌子面前方5～7 m处出现强反射界面，同相轴错断，表明该处存在挤压破碎带;掌子面前方8～14 m处出现两条节理密集发育带，追踪同相轴显示节理密集带贯穿整个掌子面，判断该洞段岩体破碎，节理裂隙十分发育，围岩稳定性差，洞段右侧球状风化体分布密集，洞段左侧球状风化体分布范围较小，大块球状风化体与小块球状风化体相间分布;掌子面前方19～22 m洞段雷达反射波杂乱，表明该段岩体节理裂隙较发育，围岩稳定性较差。

3.3 隧道地震反射波预报法分析

采用隧道地震反射波预报法进行球状风化体探测中，选取横山隧道左线LK18+000～LK18+228段作为球状风化体探测段，每80 m探测一次，使用的仪器为TGP12隧道地质超前预报系统。部分成果如图3所示。

综合分析隧道左、右壁原始记录，分离后的纵横波（P、SH、SV）记录，以及P波、SH波、SV波的相关偏移归位剖面图得知：检测段围岩在横山隧道左线LK18+000～LK18+228段，纵波（Vp）速度为3 500 m/s;横波（Vs）速度为1 640 m/s;动泊松比为0.359;岩体动弹性模量为16 082 MPa;岩体动剪性模量为5 917 MPa;岩体密度取22 kN/m3。预报解译成果如表1所示。

4.4 超前水平钻探法分析

根据工程地质调查法与两种物探法探测结果，选取LK18+030～LK18+060段作为超前水平钻探探测段。围岩为强风化花岗岩、闪长岩，局部含球状风化体。冲击钻探1#钻孔与2#钻孔分别位于掌子面开挖方向上隧道中线的左、右两侧，呈对称布置，设计1#钻孔、2#钻孔分别钻进30 m，如图4所示。

部分钻进深度各参数曲线图如图5所示。

根据横山隧道1#钻孔和2#钻孔各钻进工作参数随钻进深度变化曲线图以及相应的表格观察记录，进行钻进区段内的地质解译，预测掌子面前方围岩地质状况、球状风化体发育及分布情况。结果表明：1 #钻孔钻进深度2.2～3.2 m、15.0～17.2 m、24.0～28.0 m之间，各钻进参数值均发生了较大的变动;2 #钻孔钻进深度2.5～3.0 m、8.0～9.0 m、13.0～14.0 m、21.5～22.0 m、23.0～24.0 m之间，各钻进参数值均发生了较大的变动。

5 结论

以“工程地质调查法+地质探地雷达法+地震反射波预报法+超前水平钻探法”相结合的综合超前地质预报方法成功应用于横山隧道工程中，能够更为有效地探测出花崗岩球状风化体的空间分布情况，弥补了单一球状风化体探测方法的局限性和不足之处。该方法为隧道工程设计和施工提供了准确、可靠的地质资料，能够为超前地质预报的发展及球状风化体探测的工程应用提供科学合理的指导。具体结论如下：

（1）采用工程地质调查法、物探法和钻探法相结合的综合超前地质预报法，对球状风化体的探测取得很好的效果。工程地质调查法可以对球状风化体可能发育的区域进行预判，指导物探和钻探工作区域的选取;物探可以在宏观层面上对花岗岩的风化界面进行揭示，并为钻探布置深度提供指导;钻探可直观地揭露地层，对球状风化体进行采样，是最为精准的点位探测方法。

（2）通过工程地质调查法发现，横山隧道左线地表球状风化体主要出露于LK18+000～LK18+160段，多分布于坡体两侧，堆积于坡脚处，在采用物探法进行隧道内球状风化体探测的过程中，应对该段进行详细地探测。

（3）采用地质探地雷达法进行球状风化体探测，发现LK18+043～LK18+066段和LK18+112～LK18+147段为节理裂隙带。建议对掌子面里程号为LK18+043前方5～7 m处、前方8～14 m处、前方19～22 m洞段采取适当的措施，实行“短进尺、弱爆破、强支护”施工。后经开挖，该洞段岩体质量比探测掌子面更差，从探测掌子面前方6 m开始，岩体受节理密集带切割，更加破碎，岩体嵌合度松弛，围岩自稳能力差，有掉块现象，如不提前采取措施，易发生坍塌。

（4）采用地震反射波预报法进行球状风化体探测，发现隧道内球状风化体多集中于LK18+000～LK18+060段，该段横波反射较强，岩体破碎，节理裂隙发育，与地质探地雷达法所探测结果一致。

（5）采用超前水平钻探法对局部地段进行球状风化体探测，发现在掌子面前方存在风化界面及破碎带时，扭矩、推进压力及转速值会有较大波动;若岩体完整性较差或存在球状风化体，会导致部分钻进速度的突变。

参考文献

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