浙江乐清湾大桥及接线工程建设指挥部 浙江 317609
摘要：本文结合龙山头隧道工程实例，阐述了综合超前预报技术在隧道地质超前预报中的应用，重点介绍了地质素描法、地质雷达法、地震反射波法和超前水平钻孔的原理及应用，通过将预报结果同现场反馈地质资料进行对比分析发现，综合超前预报技术比单一的预报方法具有更高的准确性。
关键词：综合超前超前预报；地质雷达；TGP206；龙山头隧道
1 引言
随着我国东部沿海经济技术的快速发展，高速公路，隧道建设在数量、长度和断面面积上不断增加，相应地质条件也越来越复杂，施工难度也不断加大[1]。相比其他隧道，公路隧道具有开挖断面较大，开挖里程较长等特点，这给隧道的设计和施工都增加了难度，为了确保施工安全，隧道地质超前预报技术被广泛应用[2]。目前，国内比较常见的超前预报技术有地质雷达法[3]、地质素描法、弹性地震波发射波法[4，5]和超前水平钻孔等。由于隧道工程的隐蔽性、地质条件的复杂性和突出的不确定性，单一的预报方法很难达到工程需要的精度，因此必须采用更为精准的综合超前预报技术[6]。本文结合龙山头隧道工程实例，对综合超前预报技术在隧道超前预报中的应用进行了介绍。
2 综合超前预报技术介绍
综合超前预报技术摒弃以往单一的预报方法，综合运用地质素描法、超前水平钻孔、地质雷达法和地震波发射波法等技术，将各单一预报结果进行综合分析，长短结合，增加预报的准确度。
2.1 地质素描法
地质素描法是根据开挖裸露出来的地质状况，通过详细观察和记录，对开挖区域围岩的稳定性作出判断，并分析推测临近未开挖区域的地质状况。地质素描法的优点是简单易行、基本不占用隧道施工时间，缺点是工作人员需要相应的专业知识和一定的工程经验、预报的范围很短，特别是遇到地质条件复杂的工程时，预报结果准确性难以保证。
2.2 超前水平钻探法
超前水平钻探法是在隧道开挖面上布孔，沿隧道轴线方向上打出数十米的钻孔，并取出岩芯，对岩芯进行详细记录，以此推断掌子面前方地质条件。该方法属于直接探测法，预报结果真实可靠，缺点是钻孔需要占用大量施工时间和施工面积、预报结果只是一孔之见、遇到瓦斯及涌水地质时具有一定的危险性。
2.3 地质雷达法
地质雷达法是基于地下介质的电性差异，用探地雷达的一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收发射回来的电磁波，并对接收信号进行处理、解译形成波形，以此来推断围岩条件，是一种确定地下介质分布状况的高频电磁技术。地质雷达法的工作原理是高频电磁波在地下传播过程中遇到不同介电常数的界面时，一部分电磁波会折射穿过界面继续向前传播，另一部分电磁波会发射回来并被接收记录，向前传送的电磁波遇到下一个界面时又有一部分电磁波被发射回来与之前反射的波相叠加，最终在主机形成波形图。根据波形图进行分析，推测掌子面前方的围岩状况、断裂情况、岩石破碎程度、软弱夹层和空洞岩溶等。其工作原理图如下图1所示。
图1 地质雷达工作原理图
2.4 地震反射波法
隧道地震波超前预报是利用地震波在岩体传播过程中，在声阻抗界面会产生地震反射波，利用仪器设备采集隧道岩体中地震波传播的信息，通过相关处理系统进行数据处理，结合已有的地质资料综合分析，实现对隧道前方地质条件的推断，达到地质超前预报的目的。TGP是常见的应用地震反射波法进行超前预报的仪器，TGP工作原理如下图2。地震波震源一般采用小药量炸药在隧道边墙的风钻孔中爆炸产生，激发炮孔在洞壁一侧沿直线布置，一般采用24个炮孔。
图2 TGP工作原理图
TGP隧道超前地质预报系统包括仪器主机、配件和处理软件三部分。该技术预报范围广，最大可预报掌子面前方150m甚至200m范围内的围岩状况。
3工程概况
龙山头隧道是乐清湾大桥及接线工程第二标段中的主要隧道，隧道全长约2450m，跨越低山丘陵区等，地势起伏较大。丘陵一般为东西走向。丘陵表层为残破积土，下伏基岩以凝灰岩为主。洞身地面最高174米，隧道最大埋深130米，自然坡度25~35°。隧道区地层主要为第四系残坡积含碎石粉质黏土，基岩以侏罗系上统凝灰岩、霏细斑岩为主，局部发育辉绿岩岩脉。隧道发育3条断层，5条节理密集带。下图3所示为某开挖断面处的围岩状况图片。
图3 掌子面围岩
4 综合超前预报技术实例应用
本次预报为龙山头隧道出口，掌子面里程为ZK213+367，隧道施工现场地质条件一般，为准确预报前方围岩状况，保证施工安全，采用综合地质预报技术。
4.1 地震反射波法
采用TGP206进行数据采集，本次预报共设有炮孔数24个，接收孔数2个，布置如下：炮孔布置在隧道前进方向左侧洞壁，末炮孔距掌子面10m，炮孔间距为1.5m，共24个；接收孔距离首炮孔20m，左右对称布置于洞壁。采集时从首炮孔开始逐个进行激发，直至完成采集。
通过对采集数据进行处理，得出纵波和横波的时间剖面、相关偏移归位剖面、波速变化、反射面分布图，如下图4所示。
图4 掌子面ZK213+367预报成果
根据TGP法的原理和工作经验，把距离隧道轴线近、能量大的反射波组判释为围岩异常区，并综合频谱分析资料、地震波速、反射波相位、泊松比和杨氏模量等参数对围岩异常区的类别进行划分。
根据预报成果可以看出，ZK213+322到ZK213+290范围内，纵波波速存在较大变化且反射面较多，尤其是ZK213+310到ZK213+290范围内纵波绕射偏移图冷暖色调交替出现，且均为深色调，表明该段围岩岩性可能存在较大变化，因而施工接近该里程范围时应加强对前方围岩的监控。
监控小组根据上述可能存在的地质情况，拟定采用“掌子面素描+超前钻孔法+地质雷达法”对该段围岩进行综合判定。
4.2掌子面素描
为明确了解开挖断面的地质状况，根据开挖进尺，对里程ZK213+322-290的各个掌子面进行了地质素描分析，对每个开挖步进行详细记录，同时也为后续地质对比提供依据，反馈综合预报效果。例：图5为掌子面ZK213+310的地质编录（见）。通过在现场的观察发现：该掌子面右侧及拱顶围岩较为破碎，裂隙发育，岩性以中风化凝灰岩为主，掌子面附近地下水较发育，拱顶可见有点滴状出水，现场初步判定围岩级别为IV级。
图5 掌子面素描图
4.3超前水平钻孔
为保证安全和正常施工，本次钻孔布置如下图6。
图6 超前水平钻孔布置图
钻孔的起始里程为ZK213+310，终止里程为ZK213+290，探孔仰角为5度。钻孔方式为螺旋式，采用水钻，取出岩芯，进行记录。
图7 超前钻孔记录图
根据钻孔记录分析（图7）得知，该段内围岩较破碎，以中风化凝灰岩主，在ZK213+299附近，岩体出现变化，总体岩性较为破碎。
4.4 地质雷达法
根据超前水平钻孔和TGP预报结果分析得出，在ZK213+310到K424+280范围内围岩较为破碎，为了进一步验证预报的准确性，采用了探地雷达对该区域范围进行了超前预报，预报时掌子面里程为ZK213+310，预报范围为掌子面前方30m。其预报成果如下图8所示。
图8 ZK213+310~280雷达预报成果图
从上图中可以看出：该预报段内，整体波形连续性一般，发射波较强，掌子面前方0到25m范围内，波形连续性稍好，说明该段围岩与掌子面基本相似，岩体较破碎，节理较发育；掌子面前方25m到30m范围内波形图较为紊乱，可能是雷达波穿透岩石信号变弱所致。
4.5 综合预报结果
综合掌子面素描、超前水平钻孔、TGP206和地质雷达四种方法的预报成果，明确的得出在ZK213+310~ZK213+290范围内，围岩的完整性较差，岩体较为破碎，实际开挖时现场反馈的资料表明，在ZK213+310~ZK213+280范围内围岩破碎程度确实高于前后段，同时地下水量有所增加。由于提前预知了该段围岩状况，施工时加强了支护措施并加强了监控量测，保证了施工安全。
5结语
在龙山头隧道中，采用了综合地质超前预报技术，运用地质素描法、超前水平钻孔法、TGP206和地质雷达法等多种方法对预报段内的地质条件进行了预报，由于综合了多种方法预报的成果，预报的可靠性和准确性有了保证，可以更好地指导施工。
参考文献：
[1]HE Chuan，WANG Bo. Research progress and development trends of highway tunnels in China [J]. Journal of Modern Transportation，2013，21（4）：209-223.
[2]王晓川，卢义玉，夏彬伟等.超前地质预报在大相岭隧道施工中的应用[J].重庆大学学报，2009.10.
[3]马佳，屈建荣，王永东.浅谈地质雷达法在雷家坡1#隧道中的应用[J].公路交通科技技术应用版，2014.11
[4]刘云祯. TGP隧道地震波预报系统与技术[J]. 物探与化探，33（2）2009.4.170-177.
[5]邱兴友，郭新新，胥杰.TGP隧道地质超前预报仪在断层破碎带探测中的应用[J].工程与建设，2012，26（6）：721-723.
[6]吴正生.综合地质超前地质预报方法在隧道工程中的应用[J]. 工程与建设，2011，25（6）：764-767.
论文作者:张栋,任宝钢
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/4
标签：地质论文; 超前论文; 隧道论文; 围岩论文; 钻孔论文; 龙山论文; 素描论文; 《基层建设》2016年11期论文;