地质超前预报在龙昌隧道中的应用

陈加宝 马建云 郭 磊 赵怀川

（中交二公局第六工程有限公司，陕西 西安 710075 ）

1 工程概况

龙昌隧道项目工程是黄贵高速沿线公路第一期重点控制性建设工程之一，位于黔南州福泉市仙桥乡和龙昌镇境内。隧道长度设计为分离式双向六车道，左线长度2162 米，右线长度2273 米，净宽为14.75m（加宽段净宽17.75m），高5m。围岩等级多为Ⅳ、Ⅴ级，且矿山隧道区域内存在不良地质侵蚀，如矿山岩溶、采空区及矿山煤层瓦斯等不良侵蚀地质，安全隐患较多，隧道建设施工难度大。场区风貌地处贵州高原东部高山斜坡山谷河谷地带，受高山溶蚀-洪水侵蚀过程影响，地形气候条件复杂，属浅梯度切割的溶蚀-洪水侵蚀低洼低山斜坡地貌。隧道结构洞身穿越地段以红石灰岩、白云岩砂岩为主，最大埋深140m，以Ⅳ级围岩为主。从公路隧道内部经过各个地段具体的地势渗水情况推断，本路段隧道主要工程地质问题为隧道横向涌突水。

2 超前地质预报方法

为准确探测隧道工程在开挖施工时掌子面前方的地质情况，对不良地质体及可能同时出现的地质涌水现象进行及时有效的预报，超前地质预报技术的应用是必不可少的。目前国内外技术使用较为广泛的主要有地质分析、钻探技术、地球物理探测技术等[1]。其中，国内外广泛用于超前地质预报的物理探测技术主要有地震波反射法、瞬变电磁法、红外探测法、地质雷达法等。

地质探测雷达由监测主机、天线和配套监控软件等几个部分系统组成，根据脉冲电磁波探测在有耗介质中的高速传播运动特征，发射器和天线向被测有耗介质发射高频率脉冲反射电磁波，当电磁波遇到内部不均匀体（界面）时，会自动反射一部分脉冲电磁波，雷达监控主机通过对此部分的高频反射电磁波信号进行实时接收并处理，达到实时探测识别该目标物体的主要目的。如图1 所示，Tx，Rx 分别为地质探测雷达的预报发射与传送接收部分，对于发射接收器接收到的不同区域地质状况的预报信息进行综合处理以及分析，从而便于进行地质情况预报工作。地质灾害预报雷达具有精度高的分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等四大特点，被广泛应用于建筑工程质量安全检测和自然地质灾害预报中[2]。

图1.地质雷达原理示意图

隧道反射地震波超前预报的探测原理是利用地震波反射与绕射原理，实时有效的对掌子面前方复杂的地质条件进行探测。利用相关的设备采集隧道围岩中界面产生的由震源传播并反射回来的地震回波，并对其界面振动位置、空间分布状况、回波振动极性和反射能量等信息进行定量分析，可以对隧道掌子面前方100-150m 处的地质情况实现隧道地质超前预报。

本文根据实际工程技术使用情况，主要采用超前地质雷达预报探测方法与TGP206G 隧道地质超前预报系统（TGP 即Tunnel Geology Prediction）相结合的雷达探测方法进行龙昌隧道的超前地质预报探测。

3 超前地质预报应用

3.1 预报采集工作

数据采集处理工作包括：主动激发孔和主动接受孔的数据布置、药卷同步监测信号采集制作、接受装置探头安装、仪器数据采集及各参数设置和隧道施工现场地质状况调查5 个内容。

1）主动激发孔选择在隧道构造界面与隧道夹角较小的一侧洞壁，距离掌子面3-5 米开始，高度1.2 米，以2 米间距连续布置23 个。之后退25 米在隧道左右洞壁的相同里程各布置一个接受孔。接受孔与激发孔深度为2 米，接受孔为水平孔，激发孔略向下倾斜以便于注水。

2）炸药激震的同步信号采取传统的开路触发同步方式，以便于有效保证地震波信号的时间精度。

3）接受的探头全部采用定向安装工具进行安装并且采用黄油直接耦合钻孔壁，这样大大提高了无线接收探头接收信号的信噪比。

4）仪器记录采样长度参数的分档设置的使用原则：软岩采样率选择0.1ms 档，硬岩采样率选择0.05ms 档，通过采样选择确定采样率的点数来保证地震监测记录的采样长度不小于200ms。

4 TGP 数据处理结果与分析

采用超前地质预报系统可以得到以下数据图：

（1）地震波三分量原始记录图

（2）岩体比速度参数成果图

（3）断面幅度比正负峰值沿里程分布图

对预报分析：1）可以从地震波的原始三分量记录中看出：纵波的同相轴是初至明确；横波的同相轴的幅度、频率及同相轴的速度与纵波存在明显的差异，因此纵横波可以清晰的分离。2)TGP 系统利用开挖暴露出的岩体条件作为预报分析的基础。通过地震波的三分量原始记录的测量结果计算获得该区域测量段的岩体参数，反映出测量段岩体的弹性的特点。

本次测量段岩体的弹性参数如下：

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3.2 TGP 预报系统

采用TGP 预报系统对龙昌隧道右线掌子面YK59+444 进行超前地质预报，长度为120m。当前掌子面露出的岩体状况主要以中风化的白云岩为主，向前破碎结构，节理裂隙较发育，岩体较破碎，掌子面较湿润，整体稳定性较差。通过对TGP 隧道地质超前预报结果的分析，将掌子面前方120m 划分为5 个区段。

1）YK59+444 至YK59+462 段，长度18m，围岩主要以白云岩为主，估算岩体速度比测量段岩体速度较当前掌子面相等，推测本段围岩接近当前掌子面围岩，完整性较差，岩体呈中风化状态，镶嵌破碎结构，岩体较破碎，建议依照当前的设计情况施工。

2）YK59+462 至YK59+474 段，长度12m，围岩以白云岩为主，估算岩体速度比测量段岩体速度较当前掌子面低，推测本段围岩较当前掌子面围岩差，隧道整体围岩节理裂较发育，镶嵌碎裂结构，岩体较破碎，整体稳定性较差。其中YK59+468 断面向右偏离22m 岩体破碎，由于异常区相对轮廓内较远，对隧道的影响可以忽略，另一个异常区处于YK59+474 断面向右偏离2m 的位置，故开挖时严格控制，建议在此病害附近加强支护，并在YK59+474位置向右钻孔验证，深度4m。

3）YK59+474 至YK59+498 段，长度24m，围岩主要是白云岩，估算岩体速度比测量段岩体速度较当前掌子面低，推测本段围岩较当前掌子面围岩差，隧道岩体完整性较差，岩体呈中风化状态，镶嵌破碎结构，岩体较破碎，建议按照当前设计进行施工。

4）YK59+498 至YK59+520 段，长度22m，围岩主要是白云岩，估算岩体速度比测量段岩体速度较当前掌子面低，推测本段围岩较当前掌子面围岩差，围岩节理较发育，镶嵌破碎的结构，岩体较破碎，整体稳定性较差。其中YK59+504～YK59+520 段落，可以推断前方存在有构造和岩层破碎风化的可能性，以及有岩溶发育的可能。建议在此段内施工时加强支护，以免发生坍塌。

5）YK59+520 至YK59+564 段，长度44m，围岩主要是白云岩，估算岩体速度比测量段岩体速度较当前掌子面低，推测本段围岩较当前掌子面围岩差，隧道岩体完整性较差，岩体呈中风化状态，岩体较破碎，局部可能存在岩层破碎及风化，建议在此段内施工时加强支护。

3.3 地质雷达探测

采用地质雷达探测预报法，对龙昌隧道的进口右线掌子面YK59+505 ～ YK59+525 进行地质预报复测。雷达探测预报选用瑞典MALA 公司生产的MALA-X3M 型地质雷达，沿测线进行数据采集，并得出雷达反射剖面。

当前掌子面露出的岩体状况主要以中风化白云岩为主，呈镶嵌碎裂状结构，节理裂隙较发育，围岩较破碎，拱部滴水，围岩自稳能力较差。测线1掌子面前方0～3m（YK59+505～YK59+508）、6～9m（YK59+505～YK59+508）局部振幅较强，信号的同相轴连续性较差，初步判断此区域局部存在少量软弱夹层或裂隙水软发育。测线2 掌子面前方2～6m（YK59+507～YK59+511）局部振幅强度较大，信号的同相轴连续性较好，初步判断该区域局部存在少量软弱夹层或裂隙水软发育。该区域施工过程中需注意岩体的变化，开挖容易产生掉块、坍塌，雨季开挖可能产生突泥和涌水。

4 结论

本工程采用不同的地质超前预报方法对地质情况进行勘探。地质超前预报可以更准确的预报当前的地质情况，为施工提供了有效的依据。TGP 预报系统可以对掌子面前方120m 范围内的地质情况进行预报，可以预报更远的距离。对于异常区域或者深度较深的区域，可以采用分辨率较高、无损的地质雷达进行有效的预报，以获到更准确的预报结果，保证施工安全，排除隐患，提高工作效率。