综合超前地质预报技术在大磅山隧道中的应用

孟庆锋

（中交三公局第一工程有限公司，北京 100000）

1 引言

隧道前期勘察是明确现场地质条件的重要途径，但碍于方法有限、时间不足、现场环境复杂等缘故，勘察获取的地质资料缺乏完整性，不足以全面反映现场地质情况。综合超前地质预报技术是一种更具全面性与准确性的方法，在探明隧道地质条件方面有突出的作用，但其涉及的操作要点丰富，需加强技术探讨，以科学的方法探测后，获取具有参考价值的信息，为隧道工程建设打下良好基础。

2 工程概况

大磅山隧道起讫桩号K98+045～K98+885/ZK98+050～ZK98+905，右线840 m，左线855 m，单洞Ⅲ级围岩300 m，约占总长的18%；Ⅳ级围岩1 196 m，约占总长的70%；Ⅴ级围岩199 m，约占总长的12%。隧道进、出口洞门形式均为削竹式，隧道内规划2处人行横通道。

3 地质情况

1）气象水文条件：隧址区地下水以碳酸盐岩岩溶裂隙水、碎屑岩基岩裂隙水为主。地下水埋深浅，补给径流条件差。

2）地质情况：根据沿线地貌分区，隧址区起点K98+060～K98+457属构造侵蚀、溶蚀峰丛谷地地貌区；K98+457～K98+885（隧址区终点）属构造剥蚀缓坡低山丘陵地貌区。

4 超前地质预报

4.1 地质调查分析

洞身深埋地段硬质岩段的探测还需考虑掌子面及两侧围岩的剥落程度，评估是否有岩爆的可能，必要时采取防控措施。对于洞身深埋地段的软岩以及极软岩段，考虑到易变形的特殊性，探测时还需充分关注掌子面围岩及两侧壁的变形特征，评估是否有变形的可能[1]。

4.2 超前地质预报工作顺序

1）隧道爆破开挖后安排地质调查，根据掌握的现场地质信息进行地质素描，用于汇总地质特征。每10 m记录一次，地质条件特殊时增加记录的频率。

2）约每隔100 m用TSP探测一次，初步掌握掌子面前方的不良地质。

3）取距离不良地质体约30 m的位置，用瞬变电磁仪或地质雷达进行探测，进一步核实不良地质，更具全面性地明确具体特征。

4）物探结果显示前方有不良地质体时，需要密切关注掌子面的所处位置，在临近不良地质体约10 m时钻孔检验，准确判断地质条件。

5）综合考虑前期地勘结果、物探结果、钻探结果，准确判断不良地质体的类型、覆盖范围以及程度[2]。

4.3 地质综合超前预报技术

断层地带有涌水、突泥乃至坍塌的风险，必须在安全的前提下顺利通过断层破碎带，避免施工期间发生安全事故。经过反复调研和方案比较，决定采用TSP、探地雷达、红外线等先进的技术手段结合超前探孔等综合预报技术。利用TSP203超前地质预报技术探测前方100 m内的围岩地质，综合地质雷达、红外探测仪等测定的探测信息对前方地质条件做系统性的分析，做到有疑必探、先探后掘。最后利用前述所有手段的监测结果进行综合分析，以对前方围岩进行综合判定。综合预报技术的实施方案如图1所示。

图1 各种预测预报手段组合方案

5 预报实施情况

超前地质预报联合应用TSP206G系统和地质雷达两种方法。地质雷达采用中国电波传播研究所LTD-2100地质雷达和100 MHz天线，点测方式进行，平均点距约为0.1 m；测线布设在掌子面距地面0.5 m的位置，如图2所示。

图2 掌子面测线布置示意

考虑到超前地质预报距离远、现场地质条件复杂的特殊性，测线TSP超前地质预报采用TSP206G系统，以便有效满足探测要求。人工振源在隧道右边壁设24个炮点，用小量炸药激发。

6 预报结果与施工建议

6.1 TSP探测

6.1.1 预报分析

数据采集采用TSP200地震预报仪，设置的激发孔、接收孔分别为24个、2个，高度约为1.2 m，布设位置规划在隧道左右壁。经过对数据的采集后，用TSPwin专用软件处理，基于数据信息生成纵波三维绕射成像图、反射界面，作为地质条件预测的重要参考。

根据探测的资料做如下分析：（1）负反射振幅时，岩层变软；正反射振幅时，岩层变硬；遇正反射和负反射组合的情况时，表明探测区域内存在断层。（2）从反射强度来看，横波强于纵波时，岩层饱含水。（3）泊松比或纵横波速明显增加时，表明探测区域有流体，即流体的存在而导致此类指标的增加。（4）纵波波速降低时，探测区域存在裂隙。

6.1.2 预报结论

结合TSP探测结果、现场地质观察和相关勘察设计资料，具体预报结论如下。

1）K98+045～K98+300段：本段纵波波速为1～2.0 km/s，岩性较测试面无明显变化，推断此区域围岩破碎，岩体强度低，层间结合的稳定性不足。开挖存在扰动作用，拱部有局部掉块乃至坍塌的可能；水文条件方面，地下水较发育，以滴水状或股状的出水方式居多，按Ⅴ级支护。

2）K98+300～K98+402段：本段纵波波速较上一段有所提高，为2～3.0 km/s，推断此区域围岩较破碎，岩体强度低，层间结合的稳定性不足。开挖存在扰动作用，拱部有局部掉块乃至坍塌的可能；水文条件方面，地下水较发育，以滴水状或股状的出水方式居多，按Ⅴ级支护。

3）K98+402～K98+440段：纵坡波速1～2.0 km/s，围岩破碎，节理裂隙很发育，岩体强度低，层间结合的稳定性不足。开挖存在扰动作用，拱部有局部掉块乃至坍塌的可能；水文条件方面，地下水较发育，以滴水状或股状的出水方式居多，按Ⅴ级支护。

4）K98+440～K98+454段：本段纵波波速较上一段有所提高，接近3.0 km/s，推断此区域围岩较完整，岩体裂隙较发育，强度低，层间结合的稳定性不足。开挖存在扰动作用，拱部有局部掉块乃至坍塌的可能；水文条件方面，地下水不发育，以滴水状的出水方式居多，按Ⅴ级支护。

5）K98+454～K98+710段：本段纵波波速较上一段有所降低，为2～3.0 km/s，推断此区域围岩较破碎，岩体裂隙发育，强度低，层间结合的稳定性不足。开挖存在扰动作用，拱部有局部掉块乃至坍塌的可能；水文条件方面，地下水不发育，以滴水状的出水方式居多，按Ⅴ级支护。

6）K98+710～K98+885段：本段纵波速较上一段有所提高，接近3.0 km/s，推断此区域围岩较完整，岩体裂隙较发育，强度低，层间结合的稳定性不足。开挖存在扰动作用，拱部有局部掉块乃至坍塌的可能；水文条件方面，地下水不发育，以滴水状的出水方式居多，按Ⅴ级支护。

6.1.3 施工建议

1）K98+045～K98+300、K98+402～K98+440区域围岩破碎，节理裂隙发育，强度低，层间结合的稳定性不足。开挖存在扰动作用，拱部有局部掉块乃至坍塌的可能；水文条件方面，地下水较发育，以滴水状的出水方式居多，局部以淋雨状或涌流状为主，施工时应做好地下水的疏导工作，短进尺、多循环、弱爆破、加强初期支护、及时施作二次衬砌，防止掉块、坍塌等工程地质灾害的发生，确保工程及施工安全。

2）建议施工技术人员应根据物探结果实时观察开挖后和支护后的围岩变化，做好记录并及时反馈信息。加强施工监测，及时反馈监测信息，做到有效指导施工，确保施工安全，开挖后掌子面及时初喷混凝土，并做好排险、防护工作。

3）超前地质预报须以长距离和短距离相结合的方式，本次超前地质预报结果还须通过短期预报情况相互印证。

6.2 地质雷达探测

6.2.1 预报结论

根据LTD-2100地质雷达回波图、现场地质观察和勘察设计资料综合分析推断。掌子面前方0～30 m的波形振幅强，波形杂乱。测试雷达图像显示，探测区域内的岩体破碎，节理裂隙发育，层间结合的稳定性不足。水文条件方面，地下水较发育，以滴水状的出水方式居多，局部涌流状或淋雨状，应加强对拱部的防控，主动提高拱部的稳定性并减小外部对其的影响，以免拱部掉块、坍塌。

6.2.2 施工建议

1）K98+300～K98+402范围内岩体破碎，层间结合及自稳能力差，地下水较发育，以滴水状或股状的出水方式居多，局部涌流状或淋雨状，拱部易由于开挖的扰动而掉块乃至坍塌。为保证施工安全，按照短进尺、多循环、弱爆破、强支护的思路进行施工，这期间加强对地下水的疏导，主动降低地质灾害的发生概率，保障施工安全。

2）建议施工技术人员根据物探结果实时观察开挖后和支护后的围岩变化，做好记录并及时反馈信息。加强施工监测和信息的及时反馈，以信息为指导，有效施工，竭力营造安全的施工环境；掌子面开挖后，初喷混凝土，混凝土的固结有利于稳固岩土体；从现场施工条件出发，采取针对性的排险、防护措施，最大限度地消除安全隐患[3]。

7 结语

经过本文对综合超前地质预报技术的分析，提出作业要点，现做如下总结：

1）隧道超前地质预报信息能为工程施工提供重要参考，在超前地质预报时，首要前提在于做好地质工作，在此基础上结合其他预报方法，更具全面性地掌握隧道的地质条件，据此编制预报方案。

2）为获取准确的地质信息，需充分掌握地质资料和高质量物性资料，进而进行物探资料的解译，更加准确地判断地质条件。

3）超前预报方法丰富，根据地质情况、预报距离等条件合理搭配，获得完善的、准确的预报信息。

4）对比分析开挖揭露情况和预报结果，检验超前预报方法的可行性，针对不足之处加以调整，提高超前预报水平。