基于小断面隧道超前地质预报应用研究

基于小断面隧道超前地质预报应用研究

张义明 李洪源

中交一航局第三工程有限公司，大连， 116001

摘要：以小断面隧道工程实例为基础,本文介绍了OCTEM、GPR和TSP等三种超前地质预报基本原理、特点及探测方法,并对三种探测方法的预报结果进行了对比分析,总结了三种方法的优劣,为提高隧道超前地质预报结果的准确性提供了依据，该研究成果可为现场施工提供指导和借鉴。

关键词：超前地质预报，OCTEM，GPR，TSP

1前言

目前国内随着隧道工程的广泛应用，隧道工程施工的关键在于及时、准确了解前方掌子面的围岩情况，制定不同的施工方法和衬砌结构相关参数，以便保证隧道施工过程中人员生命和财产的安全。超前地质预报也在寻找山体滑层等科研工作中起到重要作用。随着科技的发展，超前地质预报的方法也愈来愈多，其操作的难易程度及准确性、经济性各有优劣，选择何种超前地质预报方法显得尤为重要。

2工程概况

张家庄隧道自然灾害综合整治方案疏排水工程位于该隧道中部段内，该工程由长690m的渗水洞及1081m的排水横洞组成，均为成型断面为3.5*3.5m的曲墙拱形小断面隧道。张家庄隧道渗水（横）洞通过的地层岩性为第三系泥岩夹砂岩，局部夹石膏，隧道主要为贫水区。根据对隧道工程地质、水文地质条件以及采用三种超前地质预报方法来综合分析，预测隧道施工中可能会出现软弱夹层、断层破碎带、节理密集带等地质体的性质、规模和位置等，为安全施工提供可靠保证。

3 OCTEM、GPR和TSP

3.1 OCTEM

3.1.1探测布置

根据隧道施工情况及地质条件，确定掌子面及收发天线中心在隧道掌子面的位置，尽量避免低阻金属体对探测结果的影响，保证施工台架距离掌子面要在 50m 以上，采用收发线圈平行与掌子面的测量方式，掌子面要尽量平整，收发线圈要贴近掌子面，测点点距最大不能超过 0.5m。

3.1.2 OCTEM探测结论

OCTEM探测距离大于100m,本方法探测张家庄隧道渗水洞掌子面 H0+481前方100m内地质情况。探测结论为H0+481～H0+451 段掌子面两侧围岩工程地质条件存在差异，节理裂隙发育，岩质较软，裂隙填充，节理与岩层切割作用明显，右侧岩体较破碎，易掉块；H0+451～H0+438 段围岩稳定性相对变好，节理裂隙较发育，裂隙填充，右侧局部围岩节理与岩层相互切割，岩体较破碎，易掉块；H0+438~H0+381 段围岩稳定性较好，节理裂隙较发育，裂隙填充，岩体完整性较好，局部偶有掉块。

3.2 GPR

3.2.1 GPR探测结论

GPR探测距离为30m,本方法探测张家庄隧道渗水洞掌子面H0+108前方30m内地质情况。H0+108～H0+099掌子面前方 0.0～9.0m 范围内反射波能量较弱，频率变化不大，同相轴不连续，推断H0+108～H0+099 区域为泥岩，夹有少量砂岩；掌子面前方 9.0～30.0m 范围内反射波能量增强，频率变化较大，同相轴不连续，推断H0+099～H0+078区域为泥岩，夹有少量砂岩。

3.3 TSP

3.3.1探测布置

根据隧道施工情况及地质条件，确定激振孔和检波器安装孔在隧道左右边墙的位置，激振孔应布置在主要结构面出现的边墙一侧。每一次预报的炮数不少于 20 个，一般为 24个，激振孔间距 1.5m。孔眼高度（距隧道底面）1～1.5m，所有孔眼与接收器的高度应相同。孔眼孔深 1.2～1.5m（孔深应尽量一致），向下倾斜 10～20º，垂直于隧道轴向，或向前与掌子面成 10º夹角。钻孔完成后应注意保护，防止蹋孔。

为了达到激震效果，孔内注水。接收器钻孔的布置要求：距掌子面约 50m，距第一爆破孔 20m。在激震孔一侧安置 1 个接收器，接收器安置高度与激震孔一致。孔径50mm，孔深不小于 2m，应根据采用的藕合材料确定接收孔上倾还是下倾，在水平方向上向洞口倾斜 10º。接收器与孔壁的藕合必须紧密，施测时隧道中应没有其它振动源。

3.3.2 TSP探测结论

地震波反射法连续预报时前后两次应重叠 10m 以上，在软弱破碎地层中，弹性波反射法一般每次预报距离应为 100m 左右，不宜超过150m；在岩体完整的硬质岩地层每次可预报120~180m，但不宜超过200m。本方法探测张家庄隧道渗水洞掌子面 H0+661 前方 100m 区间地质情况，H0+661～H0+640岩体平均波速 Vp=2579m/s，Vs=1293m/s；泊松比为 0.34，动态杨氏模量为 9Gpa。该段纵、横波速度相对变化不大，泊松比较大，动态杨氏模量较小，反射界面较少，推断岩体稳定性较好，局部偶有掉块；H0+640～H0+588岩体平均波Vp=2580m/s，Vs=1280m/s；泊松比为 0.29～0.37，动态杨氏模量为 7～11Gpa。该段纵波、横波速度局部降低，泊松比增大，动态杨氏模量起伏变化较大，局部段落反射界面相对较多。H0+640～H0+635 段、 H0+623～H0+617 段及H0+608～H0+597 段岩体节理相对较发育，岩体较破碎，拱部易掉块，岩体稳定性相对稍差；H0+588～H0+561岩体平均波速 Vp=2407m/s，Vs=1068m/s；泊松比为 0.37，动态杨氏模量为 6Gpa。该段纵、横波速度明显降低，泊松比增大，动态杨氏模量减小，反射界面较少，推断岩体较破碎或岩性变化，稳定性较差。

4探测对比分析

OCTEM、GPR和TSP三种探测方法的一次探测距离不同，其中OCTEM、TSP一次探测距离在100m以上，而GPR一次探测距离在30m之内。

OCTEM、GPR和TSP三种探测方法的一次探测时间不同，其中GPR一次探测时间在30分钟以内；OCTEM一次探测时间一个小时之内；TSP一次探测时间在2个小时左右。

OCTEM、GPR和TSP三种探测方法对现场环境的要求也不同，其中GPR对掌子面附近的环境基本无多大影响；OCTEM则要求探测后方金属构件在50m内不能造成干扰；而TSP需要提前钻设探测孔，并且要求现场无振动工况。

张家庄隧道渗水洞分别采用三种不同方法探测掌子面前方地质情况， H0+381～H0+481采用OCTEM；H0+078～H0+108采用GPR；H0+561～H0+661采用用TSP。在隧道开挖施工过程中也采取地质素描的方法对比超前地质预报探测结果发现，三种方法探测结果均较为准确，其中TSP能探测围岩的各项参数指标，其印证的探测结果最为准确。

5结论

TSP有使用范围广、预报距离长的特点，能计算地震波在围岩中的传播速度，得出围岩各项岩性参数，对围岩进行分级，能更精确地确定反射界面位置，掌握掌子面前方围岩类别及分布情况；GPR 可对掌子面的不同区域进行探测，能明确了解掌子面的节理裂隙分布，但预报距离短，难以对围岩级别进行判定，长隧道该方法探测次数较多，对于掌子施工进度影响较大；OCTEM瞬变电磁法在高阻围岩中寻找低阻地质体是最灵敏的方法，且无地形影响，但在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时（铅锌矿区，地层表面充满石墨层）瞬变电磁法也不能可靠的测量，因此在选择测量时要考虑地质结构。

TSP法对于本工程单次探测距离长，对施工进度影响较小，探测结果可得出围岩的各项参数及掌子面前方围岩类别及分布情况，在应用方面相对其他两种方法更具有参考性，而其他两种方式的预报结果均不是太理想，特别是受到检测人员水平的影响很大，所以建议在以后的施工中多应用TSP法对隧道开挖面前方地质情况进行预报。

参考文献

[1]向勇，基于 TSP 和 GPR 的隧道超前地质预报，轨道交通与地下工程，2019年第3期（5月）第37卷，126-129.

[2]赵俊，隧道施工超前地质预报应用及其重要性，企业技术开发，2013年第11期（4月）第32卷，134-135.

作者简介：

张义明（1988.2），男，工程师，大学本科，中交一航局第三工程有限公司,主要从事铁路工程施工

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