隧道施工中超前地质预报技术的应用

隧道施工中超前地质预报技术的应用

王四伟

（中铁二十局，陕西，西安，710016）

【摘要】近年来隧道开挖逐渐趋于断面大、长度长，在隧道开挖过程中制约关键因素是工程地质灾害问题。所以在实施隧道工程前应做好相应的地质勘察，做好地质预测以及预报工作，本文结合实际工作情况，总结论述了当前应用的中超前地质预报技术，以此作为同行的借鉴以及参考。

【关键词】隧道地质；隧道施工

一、工程概况

（1）项目概况

本项目属于怀邵衡铁路4标苍稼岭隧道，隧道起讫里程DK076+343～DK084+319，长7976m，为单洞双线隧道，最大埋深540m，Ⅰ级铁路，设计行车速度200km/h。隧道地处湘西山区，交通不便，地形复杂，地势陡缓多变，总体为西高东低，山体高程为300-1100m之间，相对高差约800m，植被发育，通行困难。

本隧道广泛分布震旦系粉砂质板岩及条带状粉砂质板岩、寒武系泥质板岩及粉砂质板岩等地层，采取的主要超前地质预报方法：地质素描、超前钻孔、超前炮孔、弹性波反射法、地质雷达、红外探水等。

二、超前地质预报的内容及预报流程

2.1预报掌子面前方与工程前勘测到的资料的不同数据、变化情况和地质环境对施工的影响；

2.2提供掌子面前方突然涌水的地点及多少、富水带的位置、地下水的含量等因素帮助施工人员进行止水、改变施工方式等依据；

2.3预报掌子面前方的断层及不稳定岩层的位置、规模、属性，帮助施工人员及时更改施工方案，保障工程安全；

2.4预报可能出现的影响施工的断层、富水带、易塌方地区及滑动面等问题，包括各种问题的位置、规模、属性及发展趋势，方便施工人员及时做出反应，处理问题；

2.5预报流程首先研究既有资料并制定相应的预报分级预报方案，针对预报距离，分别进行，长、中、短距离预报，其次对预报数据进行综合分析，并对预报成果提出预报技术建议，提供相应的技术决策以及相应的施工方案，最后进行隧道施工作业，如果在施工过程中出现了问题，需要把施工问题及时反馈，并对信息以及预报方案重新规划处理。

三、超前地质预报的分析方法

3.1地质分析法

地质分析法指的是利用地质基本理论及地质作图法，根据隧道已有勘察资料、地表地质调查资料、洞内开挖揭示地质资料等，通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析等，推测开挖工作面前方可能揭示的地质情况，如地层岩性、地质构造、岩溶及填充物、地下水水文地质特征、围岩稳定性特征、不良地质类型、规模等情况。

①地质作图。地质作图是指通过地表或超前导洞揭露的地层层面、岩性接触面、构造面等结构面的产状（走向、倾向、倾角），通过作图法，推测其在地下、正洞出露的位置。

②地质素描。现场进行地质素描时，应对掌子面及掌子面附近开挖段进行详细观察。主要从岩性、岩体完整性、出水量、地层颜色、软硬程度等方面进行比较分析，进而透彻的掌握地质情况。

3.2物探法

3.2.1TSP法

①基本原理。TSP（tunnelseismicprediction）是隧道地震波法的简称。因地震波在不均匀地质体中会产生不同的反射波，TSP法通常利用小药量爆破所产生的地震波信号进行传播，在不同的岩层界面处被反射。然后用高精度的接收器接收反射波，通过计算机软件对反射波的分析，可得出前方地质情况。TSP法属多波多分量探测技术，可以检测出掌子面前方岩性的变化，适用于对不连续面、软弱夹层及破碎带等的探测。

②数据采集。数据采集时我们先在隧道的一边沿直线布置24个风钻孔，将小量炸药安放，并在左右两边侧壁钻取2个检波器孔。然后，依次激发各炮，地震波会以球面波形传播，从掌子面前方任一波阻抗差异界面反射的信号及直达波信号将被2个“三分量”检波器接收。

③优缺分析。优点：探测距离长，可达100～150m；施工干扰小，一般现场数据采集仅需2h；探测精度高，对规则的不连续面，如软硬岩分界面、断层面等探测准确，是目前应用最广，公认探测效果最好的一种探测方法。缺点：对岩溶等不规则体探测效果不佳。

3.2.2红外探测法

所有物体都发射出不可见的红外线能量，这能量的大小与物体的发射率成正比。而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。当隧道掌子面前方及周边介质单一时，所测得的红外场为正常场，当前面存在隐伏含水构造或有水时，他们所产生的场要叠加到正常场上，从而使正常场产生畸变。据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。现场测试有两种方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六条测线的交点测取9个数据，根据这9个数据之间的最大差值来判断是否有水；二是由掌子面向掘进后方（或洞口）按左边墙、拱部、右边墙的顺序进行测试，每5m或3m测取一组数据，共测取50m或30m，并绘制相应的红外辐射曲线，根据曲线的趋势判断前方有无含水。掌子面上9个数据的最大差值大于10μw/cm2，就可以判定有水；红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水，其他情况判定无水。

3.2.3弹性波法

①地震负视速度法

在隧道侧壁的一定范围内布置激震点，进行激发，产生的地震波信号在隧道周围岩体内传播，当岩石强度发生变化时，比如有断层或岩层变化，地震波信号的一部分将返回，这个信号称为反射波。反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直接由震源发出的信号（称为直达波）在记录图象呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置。

②水平声波剖面法

该方法(接收频率为声波频段的地震波)是利用孔间地震剖面法(ABSP)的原理及相应软件开发的一种超前预报方法。震源和检波器的布置除脱离开挖工作面对施工干扰小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外不受干扰，因此做到记录清晰、信噪比高，使反射波同相轴明显。观测时在隧道的两个侧壁分别布置震源和检波器，按其相对位置设计成两种观测方式即固定激发点（或接收点）和激发与接收点相错斜交方式。

3.3超前水平钻探法

超前水平钻探法是利用钻机对掌子面前方进行冲击或回转钻探的超前探测方法。超前钻探法适用于各种地质情况下隧道超前地质预报，尤其适用于富水软弱断层带、富水岩溶发育区、重大物探异常等地质条件复杂地段。

3.4加深炮孔法

加深炮孔法是采用风枪进行钻孔确定掌子面前方及周边地质情况的一种超前探测方法，其探测长度一般为5m，适用于各种地质情况下隧道超前地质预报，尤其适用于岩溶发育区。

加深炮孔法探测具有设备轻便、探测时间短、直观、可多空同时进行的优点，一般要求每个开挖循环都应进行加深炮孔的探测，施工中注意加深炮孔的孔数、间距、深度、偏角等要素，应根据开挖断面尺寸、开挖进尺、探测范围综合确定。

3.5水文地质检测

施工阶段开展降雨量、水量、水压或钻孔水位的水文监测，提高观测频次和精度，确定具体水点涌（突）水动态特征、水压变化，做好降雨量监测、涌水量监测、水压力监测，用于指导施工。

四、结论

在实际工作中，中长短期地质预报主要针对不同的预测主体等情况，比如，长期预报主要预测不同岩体、断层；而中期地质预报主要预测岩体孔洞等情况，短期预报主要预测可能构成不稳定块体的大裂隙和地下水活动等情况。隧道超前地质预报是科学施工、安全施工的前提，同时对于提高项目施工效率、缩短项目周期、避免事故损失及节约投资等具有重大的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]曹红彬，韦秀燕.提高隧道超前地质预报效率的探讨[J].隧道建设，2009，（3）

[2]胡兴.隧洞施工期地质超前预报方法现状[J].贵州工业大学学报（自然科学版），2008，（5）