隧道超前地质预报综合技术

铁４８　道　建筑　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００７　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３．１９９５（２００７）１２．００４８．０３　隧道超前地质预报综合技术　郎玉光　（中铁九局第一工程有限公司，辽宁锦州　１２１ＯＯＯ）　摘要：系统总结了隧道超前地质预测和预报的方法，并重点介绍了物探法中长期、中期和短期地质预报　在施工中的具体操作方法，为规模较大、地质复杂隧道的施工提供参考。　关键词：隧道施工　超前地质预报　地质雷达中图分类号：４５２．１　１文献标识码：Ｂ　括：不同岩性、地层在隧道地表的出露及接触关系，岩　层产状及变化情况；构造在隧道地表的出露、分布、性　ＴＳＰ２０３　ｌ隧道超前地质预报的必要性　隧道设计和施工前的工程地质勘察，虽然在一定　程度上对隧道的地质状况进行了预测、预报，但由于岩　质、变化规律及产状变化。　地质调查方法：根据建立的标准地层剖面，结合沉　积规律，确定各岩层的层序、厚度和位置。对地质构造　进行跟踪调查后，依据施工进展情况，展开有针对性的　地质调查，详尽地核对细化勘察资料，为地质预报做好　基础工作。　２．１、２　隧道开挖面地质素描　体的复杂性，勘察资料与隧道开挖后的实际情况可能　会有较大的出入。近年来，工程的等级不断提高，隧道　的数量不断增加，规模不断扩大，地质环境越来越复　杂，这样更增加了勘察资料与实际情况的差异。由于　勘察资料无法准确反映施工掌子面前方的地质条件，　施工带有很大盲目性，出现预料不到的塌方、冒顶、涌　对隧道开挖面的地质状况做如实的调查和编录，　水等事故，对安全、质量、工期、投资等都产生很大影　响。如何选用有效的预报措施，对于保证隧道开挖中　的安全和动态隧道施工支护设计等具有重要的意义。　以往的隧道施工，有的没有进行超前地质预测、预　报，有的虽然进行了预测、预报，也没有采用系统的方　法进行，具有片面性，不能更准确地反映施工掌子面前　采集必要的数据，具体包括：开挖面地层、岩性、节理发　育程度，受构造影响程度，对围岩稳定状态等进行编　录。地质素描方法和预报成果见表１。　表１　地质素描方法和预报成果表　方的地质条件。对于规模较大、地质复杂的隧道，采用　系统的方法进行超前地质预测、预报，是非常有必要　的。　２超前地质预报的系统方法　超前地质预报分为地质分析法和物探法。地质分　析法分为地质调查和隧道开挖面地质素描两种方法；　物探法有ＴＳＰ超前地质预报（长期预报）、地质雷达预　报（中期预报）、超前水平地质钻预报（短期预报）。　２．１地质分析法　２．１．１地质调查　采用地貌、地质调查与地质推理相结合的方法有　针对性的补充地质资料。补充地质资料的主要内容包　１）工作内容　地质素描应在开挖后立即进行，并在全隧道不问　断实施，其进行的内容主要为：①地质年代、岩性、岩层　产状、软弱夹层、岩脉穿插等情况；②断层及破碎带的　形态、产状、宽度及充填物特征；③主要节理裂隙的形　收稿日期：２００７．０５．０８；修回日期：２００７．１０．０８　作者简介：郎玉光（１９５８一），男，辽宁阜新人，工程师。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第ｌ２期　隧道超前地质预报综合技术　４９　态、产状、规模及相互切割关系；④标记地下水的出水　路连接起爆器、触发盒、记录仪、接收器以及电雷管　３）录取数据　点和出露情况（湿、渗、涌、流），并注明水量大小；⑤岩　溶位置、形态和大小；⑥围岩内鼓变形部位和位置；⑦　不稳定块体的位置、形态、范围，坍塌掉块部位、地段和　范围；⑧围岩的工程地质分段（岩组划分）、岩体结构类　型、岩体完整性、围岩物理力学和变形等。　２）工作要求　的连接电缆线。　首先检查线路连接无误时，并使起爆器、触发盒及　ＴＳＰ２０３控制面板上的指示灯进人工作状态，准备录入　数据时引爆第一个爆破孑Ｌ。根据电脑记录下的第一次　爆炸波振幅，判断药量是否适当。按此调整剩余的爆　破孑Ｌ装药量，并将剩余的爆破孑Ｌ引爆，保存原始数据。　４）ＴＳＰ２０３接受数据的分析　①按照地质素描的内容和现场记录格式，坚持每　次（简单地段可以放宽）循环开挖后对掌子面和左右边　墙进行素描和数码摄像。②素描图、记录必须在现场　进行，不得回忆编制或室内制作。③素描一律“写实”，　不做任何换算。④素描图式、图例、比例、用语应统一。　⑤按要求采取标本（包括定向标本）。　２．２物探法　施工中采取ＴＳＰ２０３超前地质预报仪作为长期地　质预报，一次预报１５０　ｎｌ；采取地质雷达做为中期的地　质预报，一次预报２０　ｍ；采取钻孑Ｌ取芯作为短期的地　质预报，一次预报５～１０　ｎｌ。中、长期超前地质预报，　在隧道进洞５０　ｎｌ后开始实施。　２．２．１　长期地质预报　１）ＴＳＰ２０３孑Ｌ位的布设　ＴＳＰ２０３共设２４爆破孑Ｌ及一个探测孑Ｌ，第一个爆　破孑Ｌ距掌子面２　ｎｌ左右，以后的２３个爆破孑Ｌ相互之间　的孑Ｌ距为１．５　ｎｌ，探测孑Ｌ距最后一个爆破孑Ｌ的距离为　１５　ｎｌ，各种孑Ｌ位布置在距隧底１．５　ｎｌ的一条直线上。　爆破孑Ｌ用　３８　ｍｍ的钻头进行钻孑Ｌ，孑Ｌ深为１．５　ｎｌ，孔　位向下倾斜１０。～２０。，探测孑Ｌ用　４２　ｍｍ的钻头进行钻　孑Ｌ，孑Ｌ深为２　ｎｌ，孑Ｌ位向上倾斜５。～１０。，以便于接受爆　破地震波。　２）＇ＩＳＰ２０３操作程序　首先，用环氧树脂将探测器固定在探测孑Ｌ里，并分　别对距探测孑Ｌ最近的５个孑Ｌ装５０　ｇ炸药和一个电雷　管，炸药装好后，再将爆破孔用水灌满，最后对这５个　爆破孑Ｌ从与探测孑Ｌ最近的一个孑Ｌ开始依次从引爆器引　爆，从爆破震动波接受的效果来决定下５个孑Ｌ的装药　量是增大（每个孑Ｌ增加２５　ｇ左右）还是减小（每个孑Ｌ减　小２５　ｇ左右），依此类推，将所有的爆破孑Ｌ都依次起爆　完成，这就完成了ＴＳＰ２０３的一次探测工作。具体测试　过程：①测量测量接收孑Ｌ，爆破孑Ｌ参数（孑Ｌ深、倾角、　孑Ｌ距，各个孑Ｌ与掌子面间距离）。②安装接收器在已　施工好的接收器钻孑Ｌ里放人双组环氧树脂，插上套管，　然后安装接收器。③爆破孑Ｌ装药在已施工好爆破孑Ｌ　里放人事先连接好的乳胶炸药和电雷管，药量为５０　ｇ　范围内，对于硬岩采用小药量，软岩采用较大药量，用　竹竿推到孑Ｌ底，然后用水灌满爆破孑Ｌ。④连接线　ＴＳＰ２０３采集到的数据，通过ＴＳＰＷＩＮ软件进行处　理，获得Ｐ波、ＳＨ波、ＳＶ波的时间断剖面图，深度偏移　剖面图和反射层提取以及岩石物性参数等成果。在提　取的波形图中，以Ｐ波为主对岩层进行划分，结合横波　资料对地质现象遵循以下准则进行解释：①正反射振　幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。②若ｓ反射　较Ｐ强，则表明岩层饱含水；③ＶＰ／ＶＳ增加或泊松比突　然增大，常常由于流体的存在而引起；④若ＶＰ下降则　表明裂隙和孑Ｌ隙度增加；⑤出现较高的反射振幅、较大　的反射系数和较小的弹性阻抗，表示反射界面的岩石　密度和波速较高。　遵循以上原则，可了解前方围岩的软硬情况、节理　发育情况及水文情况，通过对以上地质资料的掌握，就　能据此指导施工，在软弱地质区段采取加强支护，在节　理发育地段采取增设小管棚，在富水区采取注浆堵水　或增设排水管将水引出等作法，从而将地质灾害对隧　道施工的影响降低至最小。　２．２．２　中期地质预报　．　中期地质预报采用地质雷达，地质雷达预报是用　电磁波反射原理进行探测，通过测定与含水性有关的　介电常数的变化来探测充水的地质体、含水的断层、岩　性界面等。　采用探地雷达进行短距离（１０～４０　ｍ）的精细岩性　结构变化情况的预报。作为ＴＳＰ２０３超前地质预报的　补充，在高水压地段对ＴＳＰ２０３预报的异常点，比如确　定异常体的规模、性质、危害有困难时采用地质雷达作　为补充。同时地质雷达用于隧道底部、边墙、隧顶外或　其它出水部位可能隐伏岩洞穴的探测，效果较好。地　质雷达预报方法和预报成果见表２。　表２地质雷达预报方法和预报成果表　预测方法　预报成果　确定断层、岩性和溶洞的界面，确定异　探测充水的地质　常岩体的规模、性质和危害程度　其它出水部位　兰　．　墙、隧顶外或　可能隐伏岩溶洞穴　维普资讯 http://www.cqvip.com ５０　铁道　建筑　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００７　根据探测曲线特征判断含水构造或含水体的潜在　危害。　的不稳定块体；②前方有断层出露；③裂隙规律较差，　出现无序状裂隙或有两组以上的贯穿性大节理；④超　前钻孔测试和钻进有异常；⑤地下水水量增加。　探测点的布置可根据开挖的隧道横断面大小和控　制横断面上、下、左、右岩溶变化采用三种不同测点布　置方法。在断面底部中心及两侧各１．６　ｍ布置垂直向　下３个测点。在隧道左右两侧垂直边墙布置两个测站　分别以水平０。，俯角一１０。、一２０。、一３０。、一４０。、一５０。、　一６０。、一７０。、一８０。、一９０。，｛印角＋１０。、＋２０。、＋３０。、　＋４０。、＋５０。、＋６０。及少数＋７０。角探测。在移动台车　上，布置了３个测站，中心测站距顶高１．２　ｍ，分别向　左、右仰角，左＋５０。、＋６０。、＋７０。、＋８０。、＋９０。和右＋　８０。、＋７０。、＋６０。、＋５０。探测，然后分别在中心点左右　各１．６　ｍ处布置仰角＋４０。、＋３０。、＋２０。、＋１０。、０。和俯　角一ｌ０。、一２０。探测。　２．２．３短期地质预报　短期地质预报采用超前水平钻探。为保证岩质破　碎地带开挖安全，在隧道施工中将水平钻孔纳入施工　工序中。正洞超前钻孔每断面布置２个钻孔。　１）超前钻孔测试　隧道在开挖进尺５０　ｍ后，利用液压钻孔台车或　ＹＱ．１００Ａ施钻深孔，在拱顶、起拱线和隧道中下部位各　钻４７６　ｍｍ孔，孔深２　ｍ，在掌子面范围内布置２～４个　秒表记时，记录钻进各进尺段所用时间长短来判别软　弱围岩和不良地质构造的位置。　２）地质条件预报　对上述所搜集到的资料及时整理，再利用工程类　比法，进行综合分析研究，然后对断层、岩脉破碎带在　前方出露的位置和对施工的影响，对可能构成不稳定　块体的大裂隙，对地下水活动情况和地应力等情况做　出预报，并将上述预报结果及时通知施工主管部门，提　出处理方法和建议，以指导施工。　３）围岩级别预报　围岩级别是制订防治隧道施工中工程地质灾害的　依据。根据获得的地质资料，综合有关围岩分级标准，　预报掌子面前方围岩级别是超前地质预报的主要任务　和目的。　４）围岩级别预报的依据　预报围岩级别主要根据以下资料进行综合分析：　①开挖地段的工程地质特征，毛洞稳定状态和围岩级　别；②掌子面地质素描和超前钻孔测试资料；③地下水　的情况；④毛洞形成情况；⑤岩体中裂隙间距的变化。　围岩分级预报方法：　Ⅳ级围岩凡有以下情况，必须将前方预报为Ｖ级：　①连续几茬炮爆破成型差，有贯穿性裂隙切割成的大　在Ⅱ级、Ⅲ级围岩地段有以下情况者，围岩级别也　降级预报：①相邻的已施工段初期支护变形严重或收　敛量测值异常；②超前钻孔涌水量增加，涌水浑浊；③　已有的断层在前方延伸到严重影响围岩稳定的位置　（例如断层变宽、出露部位由边墙上升到起拱线以上）：　④前方有新的断层出露；⑤前方有两组断层；⑥超前钻　孔测试和钻进时有异常。　如遇到塌方，将塌方前后各５　ｍ定为Ｖ级围岩；若　围岩级别介于两级之间则定位低的一级；若已开挖段　的围岩实际级别高于原预报的围岩级别，长度在５　ｍ　以上，且已探明前方地质条件不会向坏的方向变化，则　可提高围岩级别。　最后，将所获得的各种施工信息进行集中整理，综　合分析，互相印证，得出结论。当预测到掌子面前　围　岩级别有变化时，则填写超前地质预报通知书，立即送　交现场主管施工的队长或主管工程师；若掌子面前方　围岩级别无变化，但当预报前方将有不利地质条件或　将产生地质灾害的可能时，也及时通知现场主管工程　师，并建议立即采取加强支护及早形成闭合环等措施，　防患于未来。　３　结语　长期地质预报主要预测不同岩体、断层等情况，中　期地质预报主要预测岩体孔洞等情况，短期预报主要　预测可能构成不稳定块体的大裂隙和地下水活动等情　况。系统采用隧道超前地质预报综合技术，将大大提　高地质超前预报的准确性，但也会在一定程度上影响　隧道施工的工期，增加施工费用。施工中应根据工程　的具体情况，选择适当的超前地质预报方案，确定合理　的预测方法组合，以保障隧道施工的安全、质量和进　度　参　考　文　献　［１］铁道部第二工程局．隧道［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９９．　［２］练友红．地质雷达探测武隆隧道岩溶、暗河［Ｊ］．矿业安全与　环保，２００３，（６）：４９—５１．　［３］闫红江．牛界岭隧道施工综合地质预报技术［Ｊ］．现代隧道　技术，２００５，（５）：６０．６５．　（责任审编　白敏华）