基于隧道超前地质探测的围岩分级研究

龙贵云 郑亮

摘  要：为探明隧道掌子面前方的围岩等级以保证后续施工安全，进行超前地质预报是最常用的技术手段。该文以青海加西公路JX-1标互助北山特长隧道为例，依据2种超前地质预报方法即地震波法和地质雷达法，探明隧道掌子面前方的围岩等级，纠正隧道设计阶段围岩等级不明确的误差，验证依靠超前地质探测查明围岩等级方法的可行性。此方法预测的围岩等级与开挖情况符合，能够为后续隧道工程建设提供参考。

关键词：隧道；超前地质预报；围岩分级；地震波法；地质雷达法

中图分类号：U45         文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）06-0124-04

Abstract： In order to find out the grade of surrounding rock in front of the face of the tunnel to ensure the safety of subsequent construction， advanced geological prediction is the most commonly used technical means. Taking Huzhu Beishan extra-long tunnel of Jiaxi Highway in Qinghai Province as a case， according to two advanced geological prediction methods， namely seismic wave method and geological radar method， this paper finds out the surrounding rock grade in front of the tunnel face， corrects the error of unclear surrounding rock grade in the tunnel design stage， and verifies the feasibility of relying on advanced geological exploration to find out the surrounding rock grade. The surrounding rock grade predicted by this method is consistent with the excavation situation， which can provide reference for the follow-up tunnel construction.

Keywords： tunnel; advance geological prediction; surrounding rock classification; seismic wave method; geological radar method

隧道建設中围岩分级工作贯穿设计、施工全过程中，对于隧道安全施工具有重大意义。在设计阶段，技术人员依据前期勘察资料划分隧道围岩等级，但是受制于自然地质情况复杂、不良地质状况深埋地下，以及工程前期勘察技术限制，对实际的地质情况很难做到完全掌握，以及对隧道沿线不良地质情况准确揭示，因此，实际的隧道围岩等级与设计划分的围岩等级存在出入。根据隧道施工过程中实施的超前地质预报获得的资料，综合工程人员掌握的勘察资料及施工经验判断掌子面前方的围岩等级，对于后续隧道施工具有较为重大的意义。

隧道掌子面前方不同级别围岩的岩性、岩体状态、岩体空隙等是不同的，利用超前地质预报技术获取的前方岩体信息，结合前期勘察设计资料，综合评估前方岩体围岩等级，能够较为精确地确定隧道围岩等级。地震波法超前地质预报通过接收的地震波反射波反映地下岩体情况，预测隧道掌子面前方及周围临近区域的地质情况，为围岩等级判定提供判据。地质雷达法则是通过高频电信号探测掌子面前方围岩情况，不同围岩下电信号的波动情况是不同的。

1  工程概况

互助北山特长隧道位于青海省互助土族自治县，起点位于元圃沟，终点位于柏木峡口，隧道轴线总体走向为 97°19′54″，为分离式隧道，测设线间距约26.0～30.0 m，隧道左、右线均位于直线段上。隧道左右洞里程分别为ZK32+463～ZK43+640、K32+492～K43+618，长度分别为11 177、11 126 m。按隧道分类属特长隧道，隧道洞底最大埋深约769 m。隧道进口端左线 ZK36+900附近设置1#斜井，分别对左、右线进行送排风；斜井洞口外接设地面风机房及控制室、风塔；1#斜井全长1 072 m，斜井底部通过联络风道与主洞相连。在隧道出口端右线K40+540附近设置2#斜井，2#是左线排烟口和右线通风口通道；斜井洞口外接设地面风机房及控制室、风塔；2#斜井全长1 438 m，斜井底部通过联络风道与主洞相连。

2  基于超前地质预报的围岩分级

青海互助山北特长隧道超前地质预报入口段及出口段使用地质雷达探测，隧道中段使用地震波法探测仪器，使用了2种超前地质预报仪器：基于地震波法的TGP-206和基于地质雷达法的SIR-4000。

2.1  隧道地震波法超前地质预报

探测中使用的隧道超前地质预报仪是国产的TGP206（如图1所示），TGP206隧道超前地质预报系统包括仪器主机、配件和处理软件3部分。

隧道地震波法是利用地震波在地下不同岩层中传播的波形特征生成地震波图像，依据图像分析地质状况。地震波震源采用小药量炸药在隧道边墙的风钻孔中激发产生，激发炮孔位于隧道侧壁，炮孔数一般为24个，激发炮点越多，获得的地质信息越多，但处理时间也越长，一般根据需要掌握的探测距离来拟定炮点数量。地震波接收器在隧道左右壁接收不同点位的地震反射波。地震波在向掌子面前方运动，遇到异常地质界面时部分地震波反射回接收器，一部分信号继续进入前方岩体继续传播，在传播过程中重演着反射与透射的不断过程，各反射回波在接收时间上存在间隔，通过时间间隔表征岩层距离，通过波形分析判断岩体形态，可以较为精确地探测岩体信息。

2.2  地质雷达法超前地质预报

青海互助山北特长隧道超前地质预报地质雷达采用美国GSSI公司产SIR-4000地质雷达系统（如图2所示），配合使用100 MHz接地耦合天线，采用间隔触发、连续接收的收发方式，天线每秒扫描100次；试验探测表明，介电常数取6，波形叠加次数定为16 次的效果比较好，在不存在重大干扰的情况下，数据处理尽量采用相同或类似的方式。实际开挖表明地质雷达有效探测距离为30 m。

地质雷达是利用不同地下岩体反射的电磁波信号不同，通过分析电磁反射信号分析岩体情况的仪器，其理论基础为高频电磁波理论，雷达天线发射高频电磁波进入地下岩体，经岩体分界面和断层破碎带等反射后返回地面被接收天线所接收，分析电磁波反射信号特征可以得到地下岩体的有关信息（比如节理、裂隙、断裂等）。从雷达显示的图像看，当反射波由完整岩层面反射回来时，反射波波幅较大，同相轴数量较少，波形完整，之后的图像进入平稳状态，统计的同相轴数量规律见表1；反之，若目标体中存在断层破碎带时，雷达的接收信号图则波幅小、波形杂乱无章，同相轴数量多。

2.3  隧道围岩分级

由前期地质勘察获取的数据，对隧道各类岩体进行围岩分级，依据JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》中相关规定，隧道围岩可按照围岩基本质量指标BQ或修正值[BQ]进行划分

BQ=100+3Rc+250Kv，    （1）

式中：Rc为岩石单轴饱和抗压强度值，Kv为岩体完整性系数。

围岩分级结果见表2。

3  应用实例

3.1  工程地质推断

通过已有的区域地质调查资料、前期勘察资料，以及对隧道轴线走向和掌子面工程进行地质调查，了解隧道建造区地质构造，借助地质学经验原理，合理推测掌子面前方一定范围内的围岩情况。

3.2  地震波法探测

以互助北山特長隧道K40+003掌子面为例，进行地震波法超前地质预报围岩分级。此次预报使用国产的TGP-206探测仪和配套软件，对青海加西公路互助北山特长隧道JX-1标此方法得出的基础图像如图3和4所示。采集的地震波数据包括P波、SH波，以及SV波的波速、接收时间、波形等信息。依据采集的数据进行计算和分析，主要工作步骤包括杂波过滤和背景声去噪、各炮点采集时间取均值、各类地震波图像分离（反射波提取、纵横波分离）、传播时间数据提取和地震波各型波（P、SH、SV）速度分析后得到隧道掌子面前方的岩层面和不良地质体信息，探测器配套软件计算地质体的厚度、产状、距离等信息。图3为原始波形记录图及综合分析图，图4为纵波相关的成果图及横波相关的成果图。依据所得图像进行后续分析。

由综合地质预报成果图、P波、SH波和同侧综合预报成果图分析得出，在K40+003～K39+853里程段的150 m范围内预报结论：本地质单元围岩以断层破碎带及灰黑色片岩为主，隧道围岩纵波波速同侧波动频繁，对侧在K39+940附近略有波动，其余基本稳定。推断本地质单元岩体与测量段接近，K40+003至K39+853之间存在断层破碎带，主要以灰黑色片岩为主，强、中风化岩体，裂隙发育，岩体破碎，小型裂隙带多发，岩层较松散，黏结性较差，遇水易掉块、坍塌。建议按Ⅴ类围岩施工，控制岩体开挖进尺，及时跟进支护，注意施工安全。

3.3  地质雷达探测

应用美国SIR-4000型地质雷达对青海加西公路JX-1标互助北山特长隧道ZK41+542.8段进行超前地质预报，得到的探测图像如图5所示。

在地质雷达获取的图像中，通过图像的同相轴的数量和分布特征大致可以判断掌子面前方围岩的等级。同相轴的连续性越差，围岩等级越高；波幅变化越大，波形分散、错断越多，围岩等级越高。同时，同相轴的数量越多，大致表面围岩等级越高。

由探测图像及掌子面记录可知，掌子面前方与当前开挖地质条件存在阶段性差异，存在较为明显的不同岩体间交替分层特点，岩体仍为强风化片岩与坡积土混合体，以黑色片状灰岩为主，围岩稳定性条件差。测线1掌子面前方8～15 m岩体强度较差，测点2和测点3数据较为一致，前方15～20 m区间岩体较开挖段差，存在局部岩石破碎、强风化，伴有裂隙水发育。综合三点位勘测结果看，本次地质超前预报段为Ⅴ类围岩，因此，在开挖过程中应适当注意，加强支护。

通过对青海互助山北特长隧道的8个隧道施工掌子面进行超前地质预报，结合地质分析法综合分析，得出的围岩分级结果见表3。

4  结论

1）综合使用地震波法和地质雷达法获得的图像资料，结合地质推断法，进行隧道围岩快速分级是可行的，修正了隧道围岩等级与前期设计不吻合的情况，为隧道支护设置和施工方案的调整提供了科学依据。

2）掌子面地质信息结合超前地质预报信息进行围岩快速定级需要结合工程进度进行，不同隧道施工区结合不同的超前地质预报手段。

3）隧道掌子面地质情况的分析和根据超前地质预报的图像分析前方围岩等级需要工程师一定的经验，以保证围岩等级的准确性。

参考文献：

[1] 宋先海，顾汉明，肖柏勋.我国隧道地质超前预报技术述评[J].地球物理学进展，2006（2）：605-613.

[2] 李术才，刘斌，孙怀凤，等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报，2014，33（6）：1090-1113.

[3] 姚军，王睿，夏道洪，等.隧道围岩分级研究进展综述[J].公路，2021，66（8）：367-372.

[4] 张平松，吴健生.中国隧道及井巷地震波法超前探测技术研究分析[J].地球科学进展，2006（10）：1033-1038.

[5] 王振宇，程围峰，刘越，等.基于掌子面编录和地质雷达的综合超前预报技术[J].岩石力学与工程学报，2010，29（S2）：3549-3557.

[6] 王明年，刘大刚，刘彪，等.公路隧道岩质围岩亚级分级方法研究[J].岩土工程学报，2009，31（10）：1590-1594.

[7] 刘新荣，刘永权，杨忠平，等.基于地质雷达的隧道综合超前预报技术[J].岩土工程学报，2015，37（S2）：51-56.

[8] 刘佑荣，唐辉明.岩体力学[M].武汉：中国地质大学出版社，2008.

[9] 中华人民共和国交通运输部.公路设计隧道规范：JTG 3370.1—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

[10] 中华人民共和国住房和城乡建设部.工程岩体分级标准：GB/T 50218—2014[S].北京：中国计划出版社，2014.