丁寨防洪排涝隧洞超前地质预报技术应用分析

李建林，项海玲，李 劲

（湖北水总水利水电建设股份有限公司，武汉 430056）

随着我国经济高质量地发展，西部大开发、一带一路等政策的实施，我国的基础建设得到高速的发展。隧道工程不但能克服高程限制，缩短各地路线长度，还能引导水流用以排涝、发电、输水等，在交通、水利等工程建设中显得尤为重要。随着公路、铁路、水利、跨海等高难度隧道工程的发展，其距离特长、埋深特深、地质条件特复杂等问题随之增多［1］。隧道工程作为隐蔽工程，其设计的基本依据是地质勘察资料，施工的依据主要是设计文件。但前期地质勘察的水平和精度受到技术方法、现场条件、勘察周期、成本等条件的限制，难以满足精细化设计的要求，特别是对于复杂地质条件的隧道施工，根据地勘资料做出的设计与实际施工中不符合的情况经常发生［2］，使得复杂地质条件的隧道工程建设过程中存在许多安全隐患，主要的安全隐患是隐藏在山体中的不良地质，不良地质容易引发地质灾害，常见的地质灾害有岩爆、突泥、涌水、塌方等［3-6］，此外破碎带和岩溶等不良地质体的存在，也不利于工程质量、进度、安全控制［7］。因此在隧道施工时需要提前开展超前地质预报工作，用以补充地质勘察工作的不足，进一步探明不良地质体的位置和规模，为提前采取防范措施和及时调整施工方案提供依据，确保隧道安全、高效施工。

常用的超前地质预报方法有地质调查法、超前钻探法（超前钻孔法、超前导坑法）、物理探测法（声波法、电磁法、地震波法）等［8，9］，这些方法的应用一定程度上能有效避免不良地质体对隧道工程建设的不利影响，但隧道施工区域地质条件往往具有复杂性，单一物探法存在各自的缺点［10-12］，通常不能满足查明不良地质情况的要求。为弥补单一物探法的不足，综合物探预报法应运而生，将各种预报方法优势互补，从而降低预报的多解性，同时提高预报的准确性［13-15］。此外，国外研究者针对隧道TBM 施工提出了新的超前地质预报技术，如：德国国家地球科学研究中心研发的综合地震图像系统（ISIS）具有占用TBM 的掘进时间较少，数据处理简单，预报准确率高的优势；德国Geohydraulik Data 公司研发BEAM 超前地质预报技术预报时不需要TBM停机，不占用掘进时间，可随着TBM的掘进实时探测。

本文依托咸丰县新城区丁寨防洪排涝隧洞工程，针对隧洞施工区域岩体内部岩溶发育、富水等复杂地质条件，采用地震反射波法与震电效应法相结合的方法，对岩体内不良地质体及岩体富水情况进行探测，并提出了相应的工程措施，为隧洞的安全高效开挖提供了保障，同时也为同类工程施工建设提供了参考。

1 工程概况

湖北省咸丰县新城区总用地面积约36 km2，横跨新城区的曲江河流域面积达357 km2，水量充沛，但河道下游为盲谷，主要靠天然溶洞、地下暗河及1条已建成的排洪隧洞泄水，其排洪流量小，导致河道两岸大片土地和房屋经常受淹。咸丰县新城区丁寨防洪排涝工程保护对象为咸丰县新城区，能有效地提高咸丰县新城区综合防洪能力，促进人与自然和谐相处和生态文明建设。丁寨防洪排涝隧洞属于丁寨防洪排涝工程项目的关键部分，隧洞工程进口位于丁寨乡天星孔，出口位于断明峡丁寨水电站右岸，隧洞采用城门洞型断面，无压明流隧洞，将曲江河洪水通过新建排洪隧洞的形式宣泄至断明峡河道，隧洞工程布置图如图1所示。隧洞全长4 574.1 m，断面尺寸为9 m×12 m，隧洞进口底板设计高程729 m，出口底板设计高程548 m，主洞开挖采取从支洞向上游单向进尺掘进。隧洞线路区主要以Ⅱ、Ⅲ围岩为主，部分为Ⅳ、Ⅴ围岩。工程区岩性主要为碳酸盐岩，岩溶发育强烈，存在溶缝、落水洞、溶洞、天窗、地下管道系统、排泄泉及地下暗河等地下埋藏型岩溶现象，发育的天星孔地下暗河系统对拟建防洪排涝隧洞影响较大。

丁寨防洪排涝隧洞主要工程地质问题有岩溶、涌水及突泥、洞室围岩稳定问题，隧洞穿越区域地下水丰富，采取爆破开挖的方式进行施工，当待开挖岩体含水丰富、工程地质条件较差时，容易诱发工程地质灾害，导致施工安全事故。因此，需要提前做好超前地质预报，通过超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化爆破施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，提前做好施工准备，保证施工安全。

2 地震反射波法与震电效应法超前预报原理

目前常用的地质超前预报的方法主要有三种：即地质调查法、超前钻探法和物理探测法。地质调查法预报距离短，但适用范围广，是其他各种地质超前预报的基础。超前钻探法属于破坏性方法，有超前钻孔法和超前导坑法，速度较慢，在岩溶发育的喀斯特地貌预报的准确率较低。物理探测法可认为是无损检测，目前使用最为广泛常见的物理探测方法主要有电磁法、地震波法，目前在隧洞施工过程中使用最为广泛其中地震反射波法勘测范围长、解释精度高、耗时较短，还可以分析围岩的动弹性模量、体积模量、密度以及纵横波波速进行计算，在隧道超前地质预报中的应用普遍。

地震反射波法超前预报原理是利用地震反射波和绕射波原理，对隧洞掌子面前方的地质条件进行探测。由震源产生的地震波向隧洞前方传播的过程中，遇到岩体中相对大的声阻抗界面会产生反射波，遇到相对小的声阻抗界面会产生绕射波，统称为地震回波。利用设备采集隧洞围岩中界面的地震回波，通过专业处理系统提取回波的界面位置、空间分布、回波极性和回波能量等信息，并结合隧洞地质勘察资料综合分析，实现隧洞地质超前预报目的。由掌子面后方炮孔处激发直接到达检波器的地震波叫直达波，根据地震波的传播路径和时间可估算其在围岩中传播速度，进而分析岩体的物理力学性能。地震波传播反射几何关系如图2所示，可根据反射时间及岩体地震波速度可估算反射面的位置。

由于地震反射波法在含水岩体的探测工作中不具有优势，而丁寨防洪排涝隧洞是含不良地质体的富水隧洞，为做好隧洞岩体的超前地质预报，将地震反射波法与探水方法结合，解决富水底层的超前地质预报问题。丁寨防洪排涝隧洞选用震电效应法用以探测岩体富水情况。震电效应产生机制主要是电阻效应和流动电势效应。当地震波在地下含流体饱和孔隙介质中传播时，带电液体和骨架会产生非同相振动，引起孔隙液体与固体骨架的相对运动，导致电荷密度发生波动，从而使孔隙流体中的带电离子形成微电流并在不连续边界处将会激发电磁波，与此相反的逆效应亦存在。由于地震反射波法是以炸药爆破为震源，不管含水地质体在隧道掌子面前方、四周及后方，都是以爆破点周围为原点，地震波向周围传播，当遇到含水地质体时都会产生震电信号；利用观测信号的极性、时间和一定距离的多次观测，可以分析含水地质体的位置，由此可见将地震反射波法与震电效应法结合对本工程含溶洞、破碎带、泥质夹层等不良地质体的富水岩体探测工作具有较好的适用性。

3 超前地质预报现场实施

丁寨防洪排涝隧洞超前地质预报，采用TSEP（Tunnel Seismic eletric Prediction）隧道地质超前预报系统，是三维地震反射和震电效应一体化探测的综合超前预报系统。探测使用的仪器为JL-TSEP306 隧道地质超前探测仪，由超前探测仪主机（含软件）、采集箱、触发盒、传感器、震电电级及相关配件等组成。JL-TSEP306 隧道地质超前预报观测示意图如图3所示。

激发孔选择在构造界面与隧道夹角小的一侧洞壁，离掌子面1～10 m 开始，高度1 m 左右，以1.5 m 间距连续布置24 个。之后退15～20 m 在隧道左右洞壁的相同里程各布置一个接收孔。接收孔深度均为1.7 m，激发钻孔深度为1.5 m，接收孔水平布置，激发孔向下倾斜，倾角约100～150，以方便注水，接收孔向上倾斜，倾角约为50°～10°。炸药激震的同步信号采取开路触发方式，即爆炸的同时触发仪器采集，保证地震波信号的时间精度。药量控制在75～100 g，各孔药量一致。接收探头采用定向工具安装和黄泥直接耦合钻孔壁。仪器采集参数设置中，采样率选择125 ms档，通过选择采样点数保证地震记录长度不小于100 ms。在地震反射法探测的同时布置X、Y方向的二对电极观测震电效应值。

进行超前地质预报时，需对激发炮孔段和掌子面岩体进行地质调查，详细记录岩体的工程地质和水文地质特征，探测时掘进面岩性情况如图4所示，并认真记录探测信息。本次以咸丰县新城片区丁寨防洪排涝隧洞工程预报段里程P3+647 至P3+797 为例进行应用分析，掌子面里程为P3+647，接收孔里程为P3+590，炮孔段里程为P3+601至P3+636，激发孔实际间距为1.35～1.65 m。

4 预测成果分析

4.1 现场探测数据

现场接收孔采集得到的与各激发孔相对应的原始波形图如图5所示。通过计算得到预报里程段岩体力学性质图，如图6所示。为了便于展示，将计算得到的预报里程段纵波波速分别绘制成二维云图，如图7所示。探测得到的预报里程段震电探水图如图8所示。由图7可直观地看出，掌子面（P3+647）前方岩体纵波波速较大，岩体比较完整，这与图4中掘进面揭示的地质情况相吻合，从侧面验证了本工程采用地震反射波法进行超前地质预报工作的可靠性。

4.2 预报结果与工程措施

通过对图4所示的施工开挖揭示地质情况及图5～图8所示的超前预报成果的综合分析，可得到掌子面前方150 m 范围的隧道围岩情况预测结果。由图5～图7可得，P3+653～P3+670 段、P3+690～P3+715 段、P3+733～P3+760 段、P3+775～P3+790段存在横波负反射界面，正负反射交替出现，偏移成像图出现密集断层反应，预测此处节理裂隙很发育或存在软岩夹层，岩石破碎，围岩与目前已开挖掌子面相比稳定性差，施工时建议采用短进尺多循环的爆破开挖方案，并提前做好相应类别隧洞围岩的支护方案，根据现场开挖揭露围岩工程地质条件的及时做好支护。

根据图8所示的震电信号反演图可知，P3+700～P3+715 存在少面积富水区，P3+660～P3+670 段、P3+790～P3+800 段存在中等面积富水区，P3+735～P3+778 段存在大面积富水区，在这些洞段施工时需特别注意，建议施工过程中，在隧洞断面中下部钻设20～40 m 长的超深孔，穿越富水区，进行进一步的探测，防止出现灾害性的突水事故。

5 结 论

（1）采用地震反射波法与震电效应法相结合的方法，对丁寨防洪排涝隧道岩溶发育情况或存在软弱夹层及岩体富水情况进行高精度探测，获得了掌子面前方150 m 范围的隧道围岩情况预测结果，预测了节理裂隙发育或存在软岩夹层地层的位置，以及隧洞轴线不同地层的含水量。

（2）根据超前地质预报数据，针对节理裂隙很发育或存在软岩夹层岩体，或富水岩体，分别提出了相应的工程防护措施，为丁寨防洪排涝隧洞的安全高效开挖提供了技术保障。□