超前地质预报在獠牙坝隧道掘进施工中的应用研究

超前地质预报在獠牙坝隧道掘进施工中的应用研究

周志强

（中国水利水电第九工程局有限公司 贵州贵阳 550008）

[摘  要]本文介绍了正安至务川天然气输气管道獠牙坝隧道掘进施工采用的超前地质预报技术，总结了超前地质预报在隧道掘进施工中的实施情况和应用效果，提出了超前地质预报在隧道掘进施工中应注意的问题和解决方法。

【关键词】：隧道掘进；超前地质预报；应用研究。

0.前言

作为项目技术负责人，笔者主持了獠牙坝隧道施工过程的技术工作，编制了施工组织设计和施工安全专项方案，为确保隧道施工安全，在隧道掘进中采用了超前地质预报和围岩监测监控两种技术措施，这些措施有效的保证了隧道掘进顺利施工和安全，使隧道较计划工期提前2天实现贯通。

1.工程概况

獠牙坝隧道位于贵州省遵义市正安县格林镇，为正安至务川天然气输气管道项目的控制性工程，隧道水平长1161.3m，隧道实长1161.79m。隧道采用直墙圆弧拱形断面，洞身净断面尺寸为2m×2m（宽×高），隧道内布设一道D406.4mm天然气输气管道。纵向坡度采用“人”字坡设计，进口段坡度为0.5%，出口段坡度为2.2%。隧道最大埋深为319.4m。

1.1工程地质条件

根据工程地质测绘成果、浅震反射、钻孔声波测井等资料，獠牙坝隧道围岩级别见1.1-1表：

表1.1-1 隧道围岩级别

在围岩基本分级的基础上，设计单位结合隧道工程的特点，考虑地下水状态、初始地应力状态、浅埋及偏压等必要的因素，按《油气田及管道岩土工程勘察标准》（GB/T50568-2019）附录C表C.2.2-2、C.2.2-4对围岩基本分级进行了修正，各级别围岩基本分级和修正分级长度见表1.1-2：

表1.1-2 隧道各级别围岩长度表

1.2本工程特点

1.2.1本工程合同工期270天，隧道内施工工作面狭窄，施工组织要求较高，需合理配置人员、材料、设备等施工资源，精心组织各工序施工，并做好工序之间的衔接。

1.2.2地质条件较复杂，洞口浅埋段及Ⅵ围岩段围岩自稳能力差，围岩极易坍塌变形；V围岩段岩体破碎，裂隙发育，围岩整体强度较低，稳定性较差。

1.2.3隧道断面小，施工通风、出渣运输布置较困难，需慎重选择施工机械设备，确保适用性及施工效率。

2.隧道掘进施工方法

2.1隧道开挖方法

獠牙坝隧道开挖支护按新奥法原理组织施工，根据各类围岩支护形式,獠牙坝隧道开挖断面面积为6.16～7.8㎡，为小断面隧道，采用对头掘进全断面爆破方法，采用YT-28型风动凿岩机钻孔爆破，轮式扒渣机装车，矿用自卸翻斗车（HT5，3-5t）运输出渣。

2.2隧道初期支护方法

对Ⅲ级围岩采用锚喷支护、Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级围岩隧道初期支护和二次衬砌相结合的复合衬砌形式，且衬砌类型为Ⅴ级和Ⅵ级围岩隧道采用超前支护，其具体支护如下：

（1）超前支护

对于Ⅴ级围岩段，采用钢拱架+超前小导管支护，钢拱架间距为0.8m；对于Ⅵ级围岩段和进出洞20m范围，采用型钢拱架+超前管棚支护，型钢拱架间距0.6m。

（2）初期支护

Ⅲ级围岩：采用拱部锚杆+局部破碎地带挂网+湿喷混凝土支护。设计参数：喷C20混凝土，厚度为80mm；拱部设置Φ18水泥砂浆锚杆，锚杆长度为1.8m，间距1.5m，呈梅花型布置，拱部局部破碎地带设置Φ6@250（双向）钢筋网。

Ⅳ级围岩：采用锚杆+挂网+湿喷混凝土支护。设计参数：喷C20混凝土，厚度为80mm；全断面设置Φ18水泥砂浆锚杆，锚杆长度为1.8m，间距 1.2m，呈梅花型布置，拱部设置Φ6@250（双向）钢筋网。

Ⅴ级围岩：采用锚杆+挂网+湿喷混凝土支护。设计参数：喷C20混凝土，厚度为100mm，全断面设置Φ18水泥砂浆锚杆，锚杆长度为1.8m，间距 1m，呈梅花型布置，全断面设置Φ6@200（双向）钢筋网。

Ⅵ级围岩：采用锚杆+挂网+湿喷混凝土支护。设计参数：喷C20混凝土，厚度为120mm，全断面设置Φ18水泥砂浆锚杆，锚杆长度为1.8m，间距1m，呈梅花型布置，全断面设置Φ6@200（双向）双层钢筋网。

为增加锚杆的作用范围，提高锚杆的作用效果，在锚杆外露端头设置150mm×150mm×6mm的钢托板。

2.超前地质预报

在实际施工中，为确保隧道掘进施工的安全，防止隧道坍塌，在施工安全上主要采取了超前地质预报和围岩监测监控两种技术措施。

2.1指导思想及工作流程

以工程地质综合分析为核心，坚持粗查与精查相结合，物探与钻

探相结合的原则，并结合前期地勘成果及地质调查资料综合判定围岩地质情况。物探探测采用TSP、地质雷达、超前钻孔等探测方法，根据隧道工程地质条件及各种探测方法的优缺点，各种方法配合适用。超前地质预报工作流程见下图：

图1.超前地质预报工作流程

2.2超前地质预报分级及方式

超前地质预报分为三个等级：

C1：适用于工程地质条件简单的一般地段，根据地勘成果一般不存在大的不良地质问题,在本项目中适用于围岩基本分级属于Ⅲ类的洞段。

C2：适用于不良地质较发育的地层，根据地勘成果，该段落可能存在涌水等不良地质,在本项目中适用于围岩基本分级属于Ⅳ类的洞段。。

C3：适用于重大不良地质较发育的地层，主要是勘察已经标明的不良地质体,以便准确查明不良地质体的规模和空间方位，为合理制定应对措施提供必要的基础资料。在本项目中适用于围岩基本分级属于Ⅴ类的洞段。具体分级见下表：

表2.2-1 超前地质预报等级表

2.3超前地质预报方式

① TSP探测

a.适用于对隧道洞身不良地质进行远距离探测。 

b.探测断层、构造破碎带、岩体破碎带、岩溶等的位置及规模。

c.探测距离100米左右，间隔100-150m设一个断面。

d.探测范围:隧道开挖轮廓线外径向10-20m。

TSP超前地质预报系统见下图。

图2.TSP 超前地质预报系统示意图

②地质雷达探测

a.适用于对岩体的完整性及空洞进行探测。

b.探测岩体的破碎程度以及溶洞、暗河、采空区等的空间与规模。

c.探测距离30米左右。

③超前钻孔 

a.根据以上探测结果，初步判定前方有大型不良地质体时，采用超前钻孔验证。

b.根据不良地质的空间位置，确定钻孔的施作位置、方位、孔数。

c.钻进时对钻进速度、取芯情况、出水点位置、流量、水压、水温及出水状态等作详细记录，必要时对探孔出水进行水质化验和分析，确认地下水是否具有腐蚀性。

d.探孔长度6-30m，保护段长度不小于10m。

超前钻孔布置见下图。

图3.超前探孔布置图

2.4超前地质预报施工工序

（1）隧道开挖爆破后立即进行地质调查并进行地质素描，一般地段每10m记录一次，地质发生变化时，增加素描。

（2）利用TSP每隔100m左右探测一次，粗略掌握掌子面前方不良地质分布情况。

（3）然后用地质雷达在接近不良地质30m左右时探测一次，进一步核实不良地质的分布情况。

（4）若物探方法初步判定前方有不良地质体，当掌子面接近不良地质体10m左右时，钻孔验证。

（5）根据物探钻探结果，并结合前期地勘成果及地质调查资料，综合判定不良地质体的范围与程度。

3.超前地质预报实施情况

3.1 TSP203地质预报

根据设计资料提供的隧道围岩级别及分布情况，主要在Ⅵ、V类围岩洞段进行了TSP203地质预报，分别在K0+40、K0+150、K0+265、0+380、K0+486、K0+590、K0+701、K0+825、K0+938、K1+120等10个桩号点处进行了探测。TSP203超前探测前，自隧道掌子面开始用风动凿岩机在隧道一侧边墙上按1.5m间距向后打设24个直径38mm，深1.5m，斜向下15°的孔，作为探测孔。自最后一个探测孔向后20m在隧道两侧边墙上各打设一个直径42mm，深2.0m，斜向上10°的孔，作为信号接收孔，探测孔与接收孔处于同一平面上。

通过TSP win软件对收集到的数据进行综合分析可得到围岩反射面位置、相对角度、密度、围岩大概类型等诸多数据从而得到反射层位和物理力学参数综合成果图。

3.1.1断层地质预报

隧址区地表沿背斜轴部发育一条走向断层，通过钻孔和岩层产状推断断层与隧道轴线交于K0＋722，其破碎带范围在K0＋722～＋773，下面是掌子面里程桩号在K0＋701处进行TSP203系统测试后得到的地质预报成果图。

图4.K0＋701处探测P波深度偏移剖面

图5.K0＋701处探测P波反射面

图6.K0＋701处探测波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图

通过地质预报成果图分析，在K0＋725 、K0＋758两处分别有一个明显反射界面，且是围岩由硬变软的反射界面，在两反射界面之间的其它反射界面也以由硬变软的信号为主。依据TSP系统数据解释原则，结合前期地质预报结果，推断K0＋722～＋778为断层及挤压破碎带。后经开挖揭露，在K0＋725围岩裂隙发育，岩体开始变得破碎，稳定性变差，直到K0＋780才逐渐趋于完整，其结果与TSP203系统预报结果基本吻合。

3.1.2岩溶预报

獠牙坝隧道出口段岩性复杂，其中以灰岩为主，受区域地质构造影响，围岩节理裂隙发育、岩溶发育。下面是掌子面桩号在K1+120进行TSP203系统测试后得到的地质预报成果图。

图7.K1+120处探测P波深度偏移剖面

图8.K1+120处探测P波反射面

图9.K1+120处探测波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图

通过地质预报成果图分析，在K1＋085、K1＋053两处分别有一个明显反射界面，两反射界面都是由硬变软的信号，参照设计资料和开挖段地质情况，推断K1＋085～K1＋053段岩溶发育，可能发生涌突水。开挖结果证明，该段溶隙、溶孔发育，在K1＋064处发育一个充填溶洞，并导致突泥，其结果与TSP203系统预报结果基本一致。

3.2 地质雷达超前探测

由于TSP对结构面的掌子面具体分布位置不能进行准确详细扫描，TSP数据还会受到环境的影响，操作和数据分析存在差异性。为准确探测隧道地质情况，确保施工安全，在接近不良地质段时，采用地质雷达对掌子面前方进行探测。本项目采用探地雷达电磁波反射法，采用设备为美国GSSI公司生产的SIR-3000 GPR 地质雷达，采用点测方法，主要采集参数为 ：100MHz屏蔽天线，发射频率50kHz，每次扫描的采样点数1024；时间窗口为500ns。根据掌子面地质编录和现场作业条件，在掌子面下部布置1条测线，测线长2.2m，距离掌子面底1.0m，测试方向从左到右。

根据隧道围岩级别及分布情况，主要在Ⅴ类围岩洞段进行了地质雷达探测，按30米左右的间隔设置了19个探测点。根据地质雷达在隧道掌子面探测波形图像的分析，共推断出设计资料上没有的小溶腔3处，裂隙7处。 开挖结果证明，实际揭露情况与地质雷达探测结果基本一致。

3.3 超前钻孔探测

对TSP203地质预报和地质雷达探测显示有重大不良地质较发育的地层，为了进一步验证预报的准确性，查明不良地质体的规模和空间方位，结合现场掌子面情况和勘察需要，共在9处进行了超前钻孔探测，累计完成超前钻孔1394米。通过超前钻孔，验证了TSP203地质预报和地质雷达探测的结果，修正了不良地质体的规模和空间方位情况，查明3处地下水腔，并直接通过超前钻孔排除了地下水。

4.结论

地质超前预报是地质勘察工作的延续和补充，在獠牙坝隧道掘进施工中，通过地质超前预报修正了设计资料中的隧道地质信息，推断出设计资料中没有的地质不良体，根据超前预报得出的地质信息，及时调整了局部施工方案，补充完善了不良地质段处理措施，保证了隧道掘进的施工安全，并较计划工期提前2天实现了隧道的贯通，取得了较好的综合效益。

通过獠牙坝隧道超前地质预报，我们也认识到，在隧道超前地质预报中除了要采集高质量的数据和选择合理的参数外，对于预报成果的解释还必须要与地勘资料、掌子面地质资料有机结合起来，对预报成果的正确推断，还需要大量的实际经验和丰富的地质、物探知识。

随着隧道工程的增加，可能遇到的复杂地质条件的区域也越来越多，仅使用单一的物探方法具有一定的局限性，应结合隧道所处地质条件和隧道工程特点，结合其他预报手段，特别是对于一些空间发育范围大、性质比较均一的岩溶特征，有时需要考虑结合其他物探进行探测，同时, 使用物探和钻探相结合的办法，在岩溶地质详查和处理中十分必要, 效果很明显。