超前地质预报在新八达岭极高风险隧道施工中的技术研究

超前地质预报在新八达岭极高风险隧道施工中的技术研究

许周

（中铁工程设计咨询集团有限公司北京市100055）

摘要：近十年来，中国国内基础设施建设迎来了快速发展的高峰期，高速铁路也迎来了大发展。由于我国的大部分范围是多山丘陵区的地形地貌特征，隧道工程在线路中占据了很大的比例。为保证隧道工程安全施工，掌握掌子面前方的地质条件，对可能出现的异常情况提前采取对策，超前地质预报工作尤为重要。本文主要介绍了TSP地震波反射法在丘陵区高速铁路隧道工程施工中的应用注意事项及相关评价.

关键词：超前地质预报；TSP；高速铁路；工程实例

1工程概况

1.1设计情况

**线全长约175km，共设隧道10座总长48km，占比约28%。其中新八达岭隧道，穿越八达岭长城世界文化遗产核心区，文物众多，且重要性等级高，多次下穿长城及既有铁路青龙桥车站等，具有较大的环境风险和社会风险。洞身大部分为花岗岩地层，有火山多次喷发形成的侵入体，地质条件方面存在一些风险点，如岩脉发育，局部风化层深厚，基岩裂隙水发育，隧道施工安全风险和工期风险较大，综合考虑环境条件和地质条件进行风险评估，新八达岭隧道按一级风险隧道管理，为极高风险隧道。

1.2工程地质特征

地层岩性主要为，第四系松散层，白垩系下统流纹质熔结角砾凝灰岩，长城系高于庄组燧石条带、白云岩和白云质灰岩，燕山晚期侵入岩，如花岗岩、细粒花岗岩、伟晶花岗岩，斑状二长花岗岩、石英二长岩以及流纹斑岩脉、花岗斑岩脉、闪长玢岩脉、辉绿岩脉、辉长岩脉以及霏细岩脉，以上侵入岩因其发育于八达岭，统称为八达岭花岗杂岩。

1.3地质构造

隧址区大的构造主要是燕山期构造，由于受太平洋板块的强烈挤压作用，使中国东部地区发生南北方向逆时针扭动，从而形成左旋为特征的燕山区北东和北北西方向的构造体系，可分为三个褶皱幕和六个变形构造变形时代。隧址区主要受燕山期第五世代（D5）影响，表现为伸展裂陷构造作用形成岔道火山盆地。地壳伸展期，盆地断陷形成，发育有大量火山物质喷发和喷溢；而在收缩期则表现为岩浆侵入。

2超前地质预报方法及方案

根据新八达岭隧道地质条件、风险源及其风险等级，针对隧道洞身地质情况，规避可能出现的风险事件，联合采用多种超前地质预报手段，以获取隧道掌子面前方的地质信息，及时优化调整隧道设计参数及施工方案，指导隧道安全施工。

预报方法选择上，采用地质调查与物探、超前钻探等相结合、长距离与短距离相结合的方法，坚持多种预报手段联合应用的综合预报方法，充分发挥各自方法的优势，取长补短，优势互补，互相验证，提高预报准确性。

资料分析上，坚持综合分析，中长距预报与近距离预报相结合，物探预报与地质预报相结合，微观与宏观相结合。

2.1超前地质预报方法

新八达岭隧道采用超前地质预报方法主要以地质调查法、物探法（TSP）及水文地质观测为主，必要时采用地质雷达、加深炮孔及超前水平钻探。

2.1.1地质调查法

地质调查法以新八达岭隧道超前正洞导坑、正洞掌子面与侧壁的量测和地质素描为主，必要时辅以隧道地表补充地质调查。通过地质调查法，能及时了解隧道掌子面施工动态，短距离预测前方围岩情况。

2.1.2水文地质调查及观测

通过洞内涌水点(处)调查，涌水量测量，洞外水文地质调查，分析其中的水文地质联系。

2.1.3物探法

（1）地震波反射法（TSP）

TSP203探测是基于隧道围岩的弹性差异，根据地震波的反射波原理的一种探测方法。人工制造一系列有规则排列的轻微地震波，地震波在围岩中以球面波形式传播，当遇到围岩物性界面(如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。由3分量地震波检波器在计算机的监控下采集这些震源所发出地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体（如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等）被反射返回的地震波数据。这些反射波信号的传播速度、波形、频率、强度和方向等特征是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的，通过分析反射波信号的上述特征，处理提取掌子面前方围岩的波速、泊松比、反射系数及其变化情况，从而预报前方不良地质体的地质力学参数和位置、规模等几何参数，达到地质超前预报的目的。

图1TSP203洞内数据采集示意图

（2）地质雷达法

地质雷达法实施是在地质素描法和地震波反射法TSP法初步预报结果各可能引发隧道塌方、冒顶、突水、涌水等地质灾害的位置或存在不均匀地质体地段，必要时开展，提前20～30m进行地质雷达法超前预报。

地质雷达主机通过天线向掌子面前方发射频率为数百兆赫兹的电磁波，当电磁波遇到不同媒质的界面时（断层破碎带、地下水、岩溶、软弱夹层等）便会发生反射与透射，反射波返回掌子面，又被接收天线所接收（发射与接收为收发一体屏蔽天线），地质雷达采集和记录反射波，获得地质雷达预报探测的时间剖面图像。

地质雷达法资料分析预报，应紧密结合隧道工程地质资料及掌子面地质情况进行，依据地质雷达时间剖面图像的反射波和反射波的波形、强度、频率、极性、形态等特征进行。分析预报掌子面前方地层岩性、断层破碎带及其影响带、岩性接触带、构造裂隙发育带、岩溶发育带及地下水发育地段等，侧重预报岩溶等不均匀体的位置、大小及地下水发育情况。

（3）红外探测法

红外探测法在地质素描法和TSP法初步预报结果可能存在富水带或可能引发隧道突水、涌水的地段，必要时提前20～30m进行探测。按顺序绘出开挖面前方、隧底、隧顶和两侧边墙的红外探测曲线，并标明裂隙发育和有渗水现象的里程位置。每次探测应特别注意对开挖面前方探测结果的对比分析，如有异常应及时采用其他方法综合排查。

红外探测法资料分析预报，应紧密结合隧道工程地质资料及掌子面地下水情况进行，根据掌子面、拱顶、边墙、隧底等探测曲线、测量数据的变化及特征，预报拱顶、边墙、隧底洞壁四周外或掌子面前方隐伏水体或含水构造。

图2台阶法加深炮孔位置布置图（单位：mm）

3.超前钻探法

（1）加深炮孔

在物探法和地质素描法预报存在富水带、富水岩溶发育带、软弱断层破碎带、重大物探异常区段等可能引发隧道塌方、冒顶、突水、突泥、瓦斯突出等地质灾害的地质复杂地段，必要时采用加深炮孔法进行短距离预报。

由于隧道开挖炮眼数量较多，且风钻或凿岩台车打眼比较方便，在地质条件变化较大情况下，在每循环掌子面对其中的几个炮眼加深作为预报探测孔，深度为5m，探明掌子面前方地质情况，使掌子面前方总有3～5m以上的岩盘，避免或减少隧道突泥、突水事故的发生。

图3全断面法加深炮孔位置布置图（单位：mm）

（2）超前钻探法

在物探法地质素描法、加深炮孔法预报存在富水带、富水岩溶发育带、软弱断层破碎带、重大物探异常区段等可能引发隧道塌方、冒顶、突水、突泥、瓦斯突出等地质灾害的地质复杂地段，必要时采用超前钻探法。

图4TSP203测线布置示意图

图5TSP隧道超前预报地震原始曲线图（X）

2.2超前地质预报实施方案

1.地质简单地段：采用地质调查法和地震波反射法（TSP）连续预报，必要时实施加深炮孔法。地质调查法连续进行，一般地段不应超过10m进行一次。地震波反射法（TSP）在围岩破碎地段100m左右预报一次，完整围岩地段100～150m预报一次，前后两次应重叠10m以上。

2.地质中等复杂和较复杂地段：该隧道段落采用地质调查法和地震波反射法（TSP）连续预报，根据地质调查法和地震波反射法（TSP）预报结果，必要时根据需要进行水文观测、地质雷达法、红外探测法、加深炮孔法或超前钻探法。地质调查法连续进行，重点复杂地段每开挖循环进行一次，一般地段不应超过10m进行一次。地震波反射法（TSP）在围岩破碎复杂重点地段100m左右预报一次，完整围岩地段100～150m预报一次，前后两次应重叠10m以上。地质雷达法和红外探测法30m左右预报一次，两次预报的重复长度5m左右。加深炮孔长度5m，保证掌子面前方总有3～5m以上的岩盘。超前钻探长30～50m，前后两循环钻孔应重叠5～8m。

3.八达岭地下站、斜井分通道及救援通道：采用地质素描法、地震波反射法（TSP）进行超前地质预报，必要时采用水文观测、红外探测法、加深炮孔法或超前钻探法。地质调查法连续进行，重点复杂地段每开挖循环进行一次，一般地段不应超过10m进行一次。地震波反射法（TSP）在围岩破碎复杂重点地段100m左右预报一次，完整围岩地段100～150m预报一次，前后两次应重叠10m以上。地质雷达法和红外探测法30m左右预报一次，两次预报的重复长度5m左右。加深炮孔长度5m，保证掌子面前方总有3～5m以上的岩盘。超前钻探长30～50m，前后两循环钻孔应重叠5～8m。

4.极高风险段落（岩脉、岩性接触带、断层破碎带等）：采用地质素描法、地震波反射法（TSP）及加深炮孔进行超前地质预报，必要时增加地质素描和TSP施作频次缩短单次预报距离（70～90m），根据预报结果，必要时根据需要进行水文观测、红外探测法、加深炮孔法或超前钻探法。

3地震波反射法（TSP）在八达岭隧道中的应用效果分析

3.1数据采集

现以八达岭隧道2号斜井小里程侧展示地震波反射法（TSP）施作过程。预报时掌子面位于DK65+058里程处，在DK65+016里程处布置预报接收孔，接收孔距掌子面42m。

3.2测线测点布置

在隧道左侧边墙的同一水平线上从外向里布置23个炮孔，左右两侧各布置一个传感器钻孔。传感器钻孔距第一个炮孔10m，炮孔间距1m，炮孔高度1.5m，最后一个炮孔距掌子面10m，如图1所示。

3.3地震波激发

采用爆炸震源激发地震波，每炮约50g乳化炸药。

图6TSP隧道超前预报二维成果图

3.4地震波反射法（TSP）探测效果

根据地震波反射法探测结果，“DK65+075～DK65+106（31m）存在多组反射界面，横波速度略降低，泊松比局部增大。预测围岩主要为强风化花岗岩，节理裂隙较发育，岩体破碎，地下水较发育，渗滴水，可能有线股状出水，围岩稳定性差。”

在实际开挖过程中，根据地质素描情况，DK65+078～DK65+080段岩体破碎，掌子面上部呈散体状。DK65+080～DK65+100段为破碎带，灰褐色，地下水较发育，部分炮孔中有股状出水。

4总结

在隧道施工开挖过程中，运用超前地质预报手段，结合前期地质勘察资料，能较为准确的预判掌子面前方的地质情况。施工至超前地质预报异常段落前，需以加深炮孔（必要时候进行超前水平钻探法）等手段进行验证，确认前方围岩、地下水及其他情况后研究施工方案。

超前地质预报过程中，由于地质条件较为复杂，隧道施工环境干扰较大，不同的条件下就会遇到新的问题。这就要求超前地质预报人员要理论结合实际，结合现场地质条件，认真思考和总结，才能准确预判隧道的地质情况，进而指导施工。

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