综合超前地质预报在隧道工程中的应用

潘多

摘 要：新建贵阳—南宁客运专线贵州段站前工程 GNZQ-6 标段九万大山 1 号隧道为Ⅰ级风险隧道，地质条件极其复杂。文章采用物探和钻探、长距离探测和短距离探测相结合的探测方法，以及TSP 地震波探测法、超前水平钻孔、加深炮孔的探测方法，准确预报出 DK193+340～DK193+370 断层的不良地质，为隧道的安全施工提供了重要保障。

关键词：客运专线;隧道;超前地质预报;工程应用

中图分类号：U432.1

1 工程概况

新建贵阳—南宁客运专线贵州段地处贵州高原低山溶蚀峰从洼地地貌，地形起伏大，自然坡度20～45°，局部为陡崖，植被发育，洞身穿越石炭系下统大塘阶上司段泥质灰岩夹页岩、旧司段页岩、砂岩、炭质页岩、石英砂岩。砂岩岩性杂，岩质软，岩层缓倾，岩石遇水容易软化。该段站前工程GNZQ-6标段九万大山1号隧道隧道进口里程DK177+048，出口里程DK194+060，最大埋深约488m，全长17.012km。该隧道共穿越9 层地层，其中，非可溶岩段落长2401m，可溶岩段落14611m。另外，隧道穿越3条断层：①DK178+570附近发育懂架平推断层，破碎带洞身影响长度约60m，岩体破碎，岩质较软，围岩稳定性较差;②DK180+743附近发育一条逆断层，洞身影响长度约200 m，断层带岩体破碎，含水丰富，突水突泥风险大;③DK184+860附近发育一条正断层， 洞身影响长度约220 m，断层带岩体破碎，含水丰富，突水突泥风险大，地下水主要为基岩裂隙水。隧道为Ⅰ级风险管理隧道。

2 超前地质预报

现场施工采用地质素描、TSP地震波探测、超前水平钻孔、加深炮孔等综合方法进行超前地质预报。通过对围岩的破碎和富水程度进行预测和验证，及时对预报信息进行收集、处理，给施工方案和施工方法调整提供依据。

2.1 地质素描

地质素描是通过地层特征、要素与隧道几何参数、地表相关性分析，以及地质理论分析等，推测开挖面前方可能的地质情况的一种预报方法。该方法采用地质罗盘、敲击锤等简单设备，不干扰施工，可很快出结果，能为整个隧道掌子面提供地质资料。根据掌子面地质素描记录，PDK193+380掌子面岩性主要以石英砂岩为主，局部夹薄层页岩，灰黑色，节理裂隙发育，岩体层间结合较好，局部渗水（图1）。

2.2 加深炮孔

加深炮孔是根据隧道断面大小及可能出现的不良地质，在每一循环布设3～8个加深探孔，探测孔较循环进尺加深3 m以上，外插角不小于21°，该方法施工简单，不单独占用施工时间，准确度高。现场加深炮孔的记录显示，钻进过程无卡钻与突进现象，钻孔段落主要为石英砂岩，水量无明显变化。加深炮孔施工见图2。

2.3 超前水平钻探

超前钻探法是利用钻机对掌子面前方进行冲击和回转钻探的超前探测方法，适用于各种地质情况下的超前地质预报。本工程中使用意大利C6钻机进行超前水平钻孔施工，C6钻机扭力大、取芯完整，对施工影响小，适用于各种地层的快速钻进。现场施工时，结合TSP地震波探测结果，有针对性设计钻孔的位置和钻孔角度，施工過程中全程跟踪作业，通过冲洗液的变化、钻进的速率、出水量的大小判断地质情况。超前水平钻孔的资料显示，冲洗液呈灰黑色，流量均匀，无卡钻与突进现场，钻孔段落岩性主要为石英砂岩，岩质硬，节理裂隙发育。超前水平钻探施工见图3。

2.4 TSP地震波探测

现场施工采用TSP地震波反射法，在软弱、破碎地层或岩溶发育区，预报距离控制在100～120 m，前后2次搭接长度10 m以上;在隧道的围岩完整时，物探距离可以达到200 m以上;当围岩较破碎时，物探距离采用120 m的有效预报距离，搭接长度不小于30 m。

2.4.1 TSP地震波探测系统

TSP地震波探测系统通过三分量检波器来接收地震波信号，并同时进行测量过程控制;通过起爆装置引爆电雷管和炸药，人工激发地震波。TSP地震波探测见图4。

本工程在隧道里程PDK193+495的位置左侧壁和右侧壁分别布置1个地震波接收孔，孔径为50 mm，左边墙接收孔孔深为1.8 m，孔的高度高于底板约1.65m，右边墙接收孔孔深为1.75 m，孔的高度高于底板1.2m;在PDK193+446～479段的左侧壁布置24个激发孔分别激发地震波，孔间距1.49 m，孔径45 mm，孔深1.38～1.79 m，所有激发孔装填药量均为100 g，激发孔的高度高于底板上方约1.2 m。TSP地震波探测系统布置示意图、TSP接收器孔和炮孔布置示意图见图5、图6。

2.4.2 探测数据处理

根据TSP地震波探测系统原理，把距离隧道轴线近、能量大的反射波组判释为围岩异常区，结合地震波速、反射波相位、泊松比和杨氏模量等参数对围岩异常的类别进行划分。

将现场采集的资料传输到计算机，对原始数据进行处理。根据爆炸点与检波器的距离分别计算各段围岩的纵波波速Vp和横波波速Vs，根据Vp和Vs值可直接计算动力学参数，以及计算动弹性模量Wd、动剪切模量Gd和泊松比νd，其计算公式如式（1）：式（1）中，p为围岩密度。

根据绕射重叠法原理，即可计算得到反射截面与隧道的相对位置，即与隧道轴线的交角或至掌子面的距离。

2.4.3 探测结果

本次探测预报掌子面里程为PDK193+436，探测预报里程范围为PDK193+436～PDK193+316（掌子面前方120 m），探测结果为，围岩总体较破碎，节理裂隙较发育～发育，其中，PDK193+403～PDK193+391段、PDK193+376～PDK193+355段和PDK193+325附近裂隙发育或存在夹层、含水。图7为TSP地震波探测得到的反射层位及物理力学参数探测结果。

3 超前地质探测预报结论

综合隧道PDK193+436～PDK193+316段物探法和超前钻探法预报成果，结合掌子面地质隧道素描和地质勘察相关资料，综合地质探测预报结论如下。

（1）PDK193+380～PDK193+322段岩性主要是石英砂岩，局部夹页岩，围岩较破碎，接力裂隙发育。

（2）PDK193 + 376～PDK193 + 355段和PDK193 +

325附近裂隙发育或存在夹层、含水。施工过程中采用加深炮孔进一步验证表明：PDK193+382～PDK193+324段原设计围岩级别为Ⅳ级，实际综合预报分析该段围岩级别亦为Ⅳ级，与原设计相符。

（3）DK193+340～DK193+370探测预报为，岩层缓倾，地下水较发育，页岩岩质較软，遇水易软化，围岩局部稳定性较差。施工中应注意降水量及围岩含水量的变化和影响，做好防排水措施，及时支护，防止掉块、局部坍塌及涌水等;探测预报段落局部可能存在少量瓦斯气体聚集，施工过程中应进行瓦斯监测，做好通风处理措施。

4 结束语

综合超前地质预报施工是一道重要的施工工序，通过综合超前地质预报分析，同时对现场实际开挖的情况进行评估，提高了预报的准确性。新建贵阳—南宁客运专线贵州段站前工程GNZQ-6标段九万大山1号隧道采用地质调查、加深炮孔、超前水平钻孔、TSP地震波探测法等手段，对超前地质预报信息进行综合分析、相互验证，对隧道掌子面前方不良地质进行预报，使得该工程提前采取相应对策和措施，保证了隧道施工的安全。

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收稿日期 2019-11-25

责任编辑 朱开明