超前地质预报在某隧洞工程施工中的应用实践

李标 张允亭 杨风学 梁海洋

1大庆油田设计院有限公司

2大庆油田质量安全环保监督评价中心运行协调部

超前地质预报在隧洞施工中非常重要，它可以进一步查明和复核隧洞掌子面前方的工程地质和水文地质条件，降低地质灾害事故发生的概率和危害程度，为优化设计施工方案提供可靠的地质资料，预防隧洞施工过程中塌方、突水、突泥等可能形成的灾害事故，指导工程施工顺利进行。因此，在施工阶段进行超前地质预报十分必要，超前地质预报是隧洞工程施工安全管理的重要环节，是现场施工安全的重要保障[1-4]。

1 工作方法及原理

超前地质预报是一个系统工作，可用的方法很多，也都有各自的效果。但是，对具体工程来说，根据工程性质、工区基本地质条件和地质环境的不同，所采用的方法也有所差异。因此，在选择方法时应根据工程实际情况合理采用[5-6]。某遂洞工程主要采用的超前地质预报方法为地质编录法和物探法。

（1）地质编录法。该法是隧洞施工地质勘察最基本的工作方法，也是超前地质预报地质分析获取第一手资料的重要手段，它既能反应开挖段的地质特征，又能预示前方一定范围内未开挖段的潜在地质问题。任何不良地质灾害的发生和发展，总会有一些特殊的前兆特征。通过地质编录掌握了这些变化规律和地质特征，就能从地质学角度分析、指导物探资料的解释成果[7]。

（2）物探法。该法是超前地质预报中不可或缺的重要手段，具有快捷、直观、探测距离大、对施工干扰小的特点。但是物探法受限于场地和地质条件，有局限性。因此，物探法的关键就是利用地质学知识和工程经验，结合工区地质背景，通过物探数据对围岩中的物理现象进行定性或定量的分析。

本工程采用的TGS360Pro（以下简称TGS 物探法）是物探法中的一种，是一种极小偏移距地震反射法。将8个高精度三分量地震检波器按照一定规则布置于隧洞掌子面上，利用锤击激发地震波，地震波以球面波的形式在周围的岩体中传播。当地震波遇到存在波阻抗差异的界面时（断层破碎带、溶洞、地下水等不良地质构造界面），一部分地震波信号会产生反射，利用提前布置好的检波器接收三分量的地震波信号，通过反演、计算、分析，获取掌子面前方一定范围内岩体的应力、波速、动泊松比、杨氏模量等岩石物理参数分布情况，从而推断不良地质构造的分布特征[8-10]。其探测原理如图1 所示。

2 工作成果及分析

2.1 地质编录

预报掌子面桩号为0+004 m，隧洞埋深约8.5 m。掌子面岩性为二长花岗岩以及闪长玢岩岩脉，母岩及岩脉锤击声哑～稍清脆，以强风化状为主，但岩脉强度稍弱于母岩。岩脉侵入接触面不清晰，地质分析推测为沿陡倾角结构面侵入的岩墙状岩脉。岩体整体以块裂状为主，掌子面中部分布有碎裂状岩体，夹泥渗水。J4为掌子面的控制性结构面，倾向洞外，外侧仰坡亦见此组结构面，预报过程中可见不稳定性块体沿J4光面滑落现象。掌子面节理发育情况见图2。掌子面地质编录素描见图3。掌子面描述见表1。

图2 掌子面节理发育情况Fig.2 Development situation of joint in the working face

图3 掌子面地质编录素描示意图Fig.3 Sketch diagram of geological logging in the working face

通过对掌子面节理发育总体情况的统计，结合坡面及临近沟谷地层岩性的出露情况，综合分析：

（1）J4为控制性结构面，不仅控制着外部仰坡的稳定性，也控制着洞内顶拱的稳定性，预报过程中可见不稳定块体沿J4光面滑落的现象。后续施工过程中仍存在掉块的可能，开挖后应及时清除不稳定块体，并按设计要求做好支护措施。

（2）闪长玢岩岩脉推测为沿陡倾角结构面侵入的岩墙状岩脉，岩脉走向与洞轴线大角度相交；另一方面顶拱出露的闪长玢岩节理多密集发育，亦与洞轴线大角度相交。推测该岩脉发育宽度不大，对洞室整体稳定性影响一般，开挖通过后加强监测即可。

（3）就目前揭露情况来看，隧洞围岩具有岩块强度高、岩体结构面发育多的特性，且目前上覆强风化岩体厚度小于5 m，后期若采用钻爆法开挖应少药量、短进尺，并应着重注意上部边坡的变形情况。

2.2 渣样分析

依据设计方案，桩号0+000 m-0+030 m已进行管棚施工，在管棚孔钻进过程中采取了渣样（图4）。

图4 管棚孔典型渣样Fig.4 Typical soil sample of pipe shed hole

管棚孔渣样以砾砂状、碎屑状为主，局部夹少量泥质，干燥—稍湿状。依据渣样性状判断，桩号0+000 m—0+030 m 围岩类别为Ⅳ类～Ⅴ类。考虑上覆岩体厚度较小，为保证安全，建议按Ⅴ类设计方案进行支护。

2.3 TGS物探法成果

图5 为应力梯度的水平切片图，纵坐标为里程桩号，横坐标为预报段的左右两侧覆盖范围，红色虚线代表隧洞左右边墙，红色实线为推测的异常区域。设定第一层开挖线为0 m 的位置，取3 m、-3 m、-6 m三个不同深度的切片。

图5 应力梯度水平切片Fig.5 Stress gradient horizontal slice

图6 为含水概率的水平切片图，纵坐标为里程桩号，横坐标为预报段的左右两侧覆盖范围，红色虚线代表隧洞左右边墙，红色实线为推测的异常区域。设定第一层开挖线为0 m的位置，取3 m、-3 m 两个不同深度的切片。

图6 含水概率水平切片Fig.6 Water cut probability horizontal slice

图7、图8 分别为TGS 物探法获取的地震波纵波波速和横波波速的水平切片图，纵坐标为里程桩号，横坐标为预报段的左右两侧覆盖范围，红色虚线代表隧洞左右边墙，红色实线为推测的异常区域。设定第一层开挖线为0 m的位置，取-3 m深度的切片。

图7 地震波纵波波速切片Fig.7 Slice of longitudinal wave velocity of seismic wave

图8 地震波横波波速切片Fig.8 Slice of shear wave velocity of seismic wave

图9为围岩危险等级水平切片图，纵坐标为里程桩号，横坐标为预报段的左右两侧覆盖范围，红色虚线代表隧洞左右边墙，红色实线为推测的异常区域。设定第一层开挖线为0 m的位置，取-3 m深度的切片。图10、图11 分别为应力梯度三维分布图和含水概率三维分布图。

图9 围岩危险等级水平切片Fig.9 Hazard grade of surrounding rock horizontal slice

图10 应力梯度三维分布图Fig.10 Three dimensional distribution of stress gradient

图11 含水概率三维分布图Fig.11 Three dimensional distribution of water cut probability

3 解译成果

超前地质预报解译成果：①桩号0+004 m—0+014 m，地震纵波波速为1 600～1 900 m/s，以强风化为主，应力梯度整体变化较大。表明岩体破碎，含水概率较低，以潮湿状或点滴状出水为主。②桩号0+014 m—0+049 m，地震纵波波速为1 400～1 800 m/s，以强风化为主。整段应力梯度变化大，纵波波速偏低，桩号0+020 m—0+030 m 及桩号0+035 m—0+040 m 甚至出现“红色”高梯度带，说明岩体破碎，围岩条件差。该段含水概率整体较高，预计围岩将以线状或淋雨状滴水为主，但无突水、涌水风险。③桩号0+049 m—0+069 m，地震纵波波速为1 700～2 000 m/s，应力梯度变化稍大，表明该段围岩整体条件偏差。其中桩号0+054 m—0+059 m应力梯度变化较大，且含水概率稍大，但数值不高，推测该段围岩将以点滴状或线状滴水为主，其余段则以潮湿状或滴水状出水为主，无突水、涌水风险。④桩号0+069 m—0+124 m，地震纵波波速为1 200～1 600 m/s，应力梯度变化稍大，表明该段围岩整体条件偏差。从含水概率图上看，含水概率整段偏低，推测围岩将以潮湿状或点滴状出水为主。

4 结论

本次某遂洞工程超前地质预报针对桩号0+004 m-0+124 m进行了详细的地质调查分析及地质编录工作，采用TGS物探法对掌子面前方进行了物探测试及数据分析，综合预测得出如下结论：

（1）桩号0+004 m—0+049 m 以强风化为主，围岩类别Ⅵ～Ⅴ类。

（2）桩号0+049 m—0+124 m 整体纵波波速偏低、应力梯度变化稍大，表明岩体破碎，围岩条件差，开挖时应注意围岩的变化情况，及时通知相关专业人员进行围岩条件记录和围岩级别确认。

（3）围岩均以点滴状出水为主，局部可能出现沿张性裂隙的线状出水，无突水、涌水风险。

通过开挖段的地质素描验证，以上预测结论与实际地质情况基本相符，在两处多组不利节理交叉发育的地方提前告知施工单位采取了多循环、少进尺的施工开挖方法，避免了极易发生顺坡滑塌的风险。并且有两段股状流水位置与物探位置基本一致，证明了本次超前预报结论的准确性，能够有效指导施工作业。