浅析高风险隧道地质超前预报的应用
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[摘 要]在隧道施工过程中经常遇到断层、溶洞、突水及突泥等无法预料的地质灾害，给施工带来重大灾难和无法估计的经济损失。为了保证隧道施工安全，对掌子面前方地质情况进行准确及时的超前预报具有重大的工程价值。在隧道开挖前及施工过程中对隧道周围及掌子面前方的地质情况进行探测，识别和预测隧道掌子面前方及周围的工程地质、水文地质结构，提供准确的断裂带、含水带及岩体工程类别等地质参数，能有效地避免工程地质病害、减少处治费用、确保施工安全和进度，节约成本。常用的方法有TSP超前预报、地质雷达超前预报，二者都是在隧道内进行预报，TSP可预报掌子面前方100～150m的地质情况，地质雷达能预报掌子面前方20～30m的地质情况。
[关键词]地质超期预报；掌子面围岩；涌水；隧道
中图分类号：U452.11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0373-02
1.前言
开挖前对地质情况的了解，对于隧洞建设有着十分重要的作用。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施工方案提供依据，并为预防隧洞塌方、涌水、涌泥、涌砂、岩爆、瓦斯爆炸等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节约大量资金。所以隧洞超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。
目前国内正在进行大规模的水利水电、铁路和公路工程建设，需要修建大量的隧洞和洞室，而投入合理的超前预报技术将在减少和消除地下工程的灾害发挥巨大作用。隧道又是铁路、公路、水电等建设项目中的重要工程，随着建设工程规模的扩大，隧道工程的埋深、数量、长度和跨度不断增加，大大增加了隧道勘察阶段工作的难度。因此，地质超前预报担负着在隧道施工阶段开展和地质检测工作的重要任务。随着隧道施工技术的提高，对隧道施工期间地质超前预报提出了更高的要求。受地质勘察精度、经费等诸多条件的限制，设计与实际不符的情况屡有发生，由此造成的隧道洞内塌方、涌水、涌泥、涌砂、岩爆、瓦斯爆炸等灾害时有发生，给隧道施工造成极大的危害。所以隧道施工期地质超前预报将发挥越来越重要的作用。
2.地质调查法
隧址区地貌类型属溶蚀构造浅切低中山峰聪谷地貌，隧道走向与山脊走向大角度相交。隧道出口位于凸形坡处，自然坡度相对平缓，坡体自然坡度为20°～30°，附水性能差，坡体植被较发育，基岩大面积出露，微地貌有溶蚀洼地和大口径溶洞和溶沟。山体处于稳定状态。
右洞掌子面ZK33+275：强风化白云岩，整个掌子面为铁锈色，岩体较坚硬，结构面结合程度差且附着有大量棕红色泥质含细沙粒粘土，局部松散状，较破碎，形成夹泥层。岩面潮湿，局部有点滴状水，节理裂隙较发育，多为泥质充填，掌子面中上幅充填裂隙形成泥化夹层，整个围岩破碎，岩体稳定性差，为碎裂散体结构。掌子面地质描绘见图1：
3.TGP法
3.1 施工进展情况与预报概况
瓦窑坡隧道出口段左洞超前预报范围及施工进展如表1：
3.2 本次超前地质预报概况
2010年3月31日，我项目部对汕昆高速贵州境板坝至江底建设项目T9合同段瓦窑坡隧道出口左洞掌子面前方围岩地质情况进行地质调查并采用TSP法超前预报技术进行了现场测试工作，本次预报采用由北京市水电物探研究所研制的TGP206型隧道地质超前预报仪，其主要目的是探测隧道出口段掌子面前方围岩地质情况，并提出相应的施工建议，预报时掌子面里程为左洞ZK33+275。
3.3 预报结果分析
TGP探测钻孔布置与现场探测
左洞本次探测时掌子面里程为ZK33+275，根据现场实际情况，在ZK33+339里程位置的左、左洞壁，据地面1.2m高处布设两个深2m的水平接收孔；自ZK33+319开始在右洞壁（面对掌子面）距地面1.2m位置处，布置一排间距为2m的激发孔，激发孔下倾15°，止ZK33+261共布置激发炮孔20个，具体见图2瓦窑坡隧道左洞ZK33+275掌子面TGP探测钻孔布置剖面图。
成果分析与解释所遵循的原则
1）以纵波（P波）信息为主，横波（SH、SV）信息为辅；
2）以接收与激发同侧的信息为主，对侧信息为辅；
3）分布位置的判断以纵波（P波）信息为主，横波（VH、VZ）信息为辅；
4）地质性质的判断以纵波与横波综合分析的原则；
5）不良地质体的规模遵循接收与激发同侧信息与对侧信息相结合综合分析的原则；
6）正反射振幅表明反射界面前方的岩体相对完整新鲜或为相对坚硬的岩体；负反射振幅表明反射界面前方的岩体相对破碎风化或岩性改变为软岩；
7）强的纵波与横波的反射，以及强的地震波衰减，表征为张拉性构造，构造带岩体破碎松散，未充水；弱的纵波与横波的反射，以及弱的地震波衰减，表征为破碎裂隙闭合。
8）横波（SH波SV波）反射强，纵波（P波）反射弱，而且横波反射明显比纵波反射强，对于张拉性构造带表明构造带岩体充水，对于挤压性构造表明构造带岩体夹泥夹水；
9）单纯利用预报探测结果解释地质现象，存在多解性的问题，因此预报的分析解释宜利用既有的地质勘察资料，采用地质理论综合分析推断结论。
3.4 探测结果分析
采用地质超前预报TGP206专业数据处理软件对现场采集的TGP地震波数据进行分析与处理，以提取P波、SH波和SV波三分量的原始波形图，结合探测布置段的相关参数，经处理可生成偏移与衰减成果图、构造分布与产状成果见图3～4。
左洞：瓦窑坡隧道左洞掌子面ZK33+275，前方围岩的本次探测成果图如下：
综合从图3～4所揭示的情况和现场地质调查看：从掌子面ZK33+275 ～ZK33+250段与与掌子面围岩特性一致性较好，围岩较破碎，呈松散碎裂结构；ZK33+250～ZK33+230段围岩波速明显降低，反射异常，有溶洞存在或为溶蚀区，围岩破碎，松散碎裂结构；ZK33+230～ZK33+195段围岩较破碎，支护类型采用 S-Ⅳa 支护；ZK33+195～ZK33+170段，在ZK33+195处发现较强的纵横波反射界面，为岩溶溶洞，溶蚀区范围较大；ZK33+170～ZK33+155段围岩较破碎，支护类型采用 S-Ⅳa 支护。
4.结论
左洞：综合地质调查和TGP探测的分析结果，对本次地质超前预报的结果总结如下：
1）、瓦窑坡隧道左洞ZK33+275～ZK33+250段围岩状况（25m）
围岩特征：强风化白云岩，岩体较坚硬，结构面结合程度差，含细沙粒粘土，局部松散状，较破碎，形成夹泥层。岩面潮湿，节理裂隙较发育，多为泥质充填，整个围岩破碎，岩体稳定性差，为碎裂散体结构。
围岩总体评价：岩体较破碎，完整性差，整体围岩稳定性较差，建议衬砌支护类型为S-Ⅴb。
2）、瓦窑坡隧道左洞ZK33+250～ZK33+230段围岩状况（20m）
围岩特征：有溶洞存在或处在岩溶溶蚀区，围岩破碎，有空洞存在，松散碎裂结构。
围岩总体评价：岩体较破碎，完整性差，整体围岩稳定性差，建议衬砌支护类型为S-Ⅴa（超前小导管），根据开挖围岩情况进行相应支护加强。
3）、瓦窑坡隧道左洞ZK33+230～ZK33+195段围岩状况（35m）
围岩特征：强风化白云岩，岩体较坚硬，结构面结合程度差，局部松散状，较破碎，形成夹泥层。岩面潮湿，节理裂隙较发育，多为泥质充填，整个围岩破碎，岩体稳定性差，为碎裂散体结构。
围岩总体评价：岩体较破碎，完整性差，整体围岩稳定性较差，建议衬砌支护类型为S-Ⅴb。
4）、瓦窑坡隧道左洞ZK33+195～ZK33+170段围岩状况（25m）
围岩特征：ZK33+195～ZK33+170段，在ZK33+195处发现较强的纵横波反射界面，为岩溶溶洞，溶蚀区范围较大。
围岩总体评价：岩体较破碎，完整性差，整体围岩稳定性差，建议衬砌支护类型为S-Ⅴa（超前小导管），根据开挖围岩情况进行相应支护加强。
5）、瓦窑坡隧道左洞ZK33+170～ZK33+155段围岩状况（15m）
围岩特征：强风化白云岩，围岩较破碎，岩体较坚硬，结构面结合程度差，局部松散状，较破碎，形成夹泥层。岩面潮湿，节理裂隙较发育，多为泥质充填，整个围岩破碎，岩体稳定性差，为碎裂散体结构。
围岩总体评价：岩体较破碎，完整性差，整体围岩稳定性较差，建议衬砌支护类型为S-Ⅳa（超前锚杆）。
围岩级别判定及建议支护见表2。
5.掌子面开挖资料验证
通过现场隧道围岩开挖与地质超前预报结果对比：ZK33+275～ZK33+247、ZK33+247～ZK33+215、ZK33+207～ZK33+170、ZK33+170～ZK33+155均很好的符合超前地质预报的结果，准确率达到85%以上。特别是对ZK33+245 溶洞进行的准确预报，但由于在施工中未遵循“短进尺，强支护，弱爆破”的原则。由于采用强爆破使得拱顶上方的岩体大量塌方，涌出隧道，给施工带来了很大的困难，所幸未造成人员伤亡。
6.本次预报结论
实施超前预报应首先收集和熟悉已有的资料，提出预报探测的计划和重点；然后配合施工进程，开展地表补充调查和洞内地质素描，以施工地质调查资料为依据，演绎隧道内需要超前探测段的地质理想模型；接着选择一种以上对施工干扰少、探测时间短的有望达到预报目标的物探技术，开展室内和现场实测；最后组成地质、物探及相关工程专业人员的分析组，对地质和物探资料进行系统处理和综合分析，提出预报意见。
7.结束语
目前地质超前预报还有很多不足之处，各种预报的方法也都存在一定的缺陷，所以要想更好更准确的掌握前方岩体的情况，应采用多种预报方法相结合，优势互补，以达到更准确的预报结果。现阶段地质超前预报不可能提出预报掌子面到掌子面前方第一界面间围岩段隧道工程岩体的分级，只能给出建议级别，所以要求我们应在地质超前预报中开展相应的岩石单轴抗压强度实验和岩体初始地应力测试工作。使其发展成为一套完善的技术，更好的服务于施工。隧道围岩开挖后要及时的对现场进行照相和地质素描，通过与预报资料的对比、验证，进而在实践中不断完善和提高地质超前预报的工作。从而确保施工安全，杜绝安全事故的发生。
参考文献
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