综合超前地质预报在复杂地质条件隧道施工中的应用

综合超前地质预报在复杂地质条件隧道施工中的应用

袁坤

中国水利水电第七工程局有限公司   成都   611730

摘要：隧道工程施工地质条件复杂多变性，施工中经常遇到实际地质情况与设计地质情况不符，通过综合超前预报技术，探测掌子面前方地质情况，提出安全预警分析，减少风险的发生率，达到隧道安全稳定运营，减少损失、提高决策和管理水平、提高收益的目的。

关键词：隧道综合地质超前预报    探测    安全

一、应用背景

华蓥山是隧道界的一个魔咒，已建的广邻高速、南大梁高速、渝广高速的华蓥山隧道均存在煤层瓦斯灾害，并且施工过程中均发生了大规模涌突水事件。

渝广高速华蓥山隧道全长5018m，是一条设计时速100公里每小时，双线六车道高速公路特长隧道。隧道共穿越：一条地下暗河，两个岩溶槽谷、三条断层破碎带、五套高瓦斯煤系地层、上穿下穿和正穿七座煤矿及采空区，总穿煤次数超过90层，主要面临瓦斯防控、涌水突泥、揭煤防突、不良地质四大风险，是名符其实的地质博物馆。

二、综合超前地质预报的任务

综合超前地质预报其主要任务是探测确定：1、不同岩体接触带位置，接触带岩体破碎程度，地下水赋存情况；2、煤层及采空区位置探测及采空区是否存在老窑积水现象；3、断层破碎带探测；4、岩溶及岩溶水探测；5、隧道内岩层风化程度，节理裂隙发育状况、岩层产状等围岩变化情况。

三、工作原理

3.1综合超前预警系统构成

综合超前地质预报的主要目的是通过超前钻探、多种物探方法相结合等综合预报手段来预测地质条件，评价围岩稳定性，指导隧道施工。

物探法包括地震波反射法（TSP）、地质雷达法（GPR）、瞬变电磁法（TEM）三种方法。地震反射法为必做项。地质雷达法为选做项，在含炭（煤）地层、可溶岩岩溶强烈、极强烈发育地段、可溶岩与非可溶岩接触带等可能出现溶洞、溶蚀破碎带及富水节理密集带，煤层采空区，高压富水断层段必做项。瞬变电磁法为选做项，在非可溶岩地段断层及其破碎带、可溶岩岩溶中度发育地段、可能出现的节理密集带，可溶岩岩溶强烈、极强烈发育地段、可溶岩与非可溶岩接触带等可能出现溶洞、溶蚀破碎带及富水节理密集带，煤层采空区，高压富水断层段必须做。各种手段相辅相成，组成综合预报系统，详见图3-1综合超前地质预报系统结构图。

图1   综合超前地质预报系统结构图

3.2地震波反射法（TSP）

本方法采用DTC-150地质超前探测系统，复杂地质条件下，DTC-150可以较准确地预报隧道掌子面前方150m左右范围的地质状况，可以满足长距离超前地质预报的要求。在地质情况复杂地段，如岩溶发育、断层、煤层采空区、煤层瓦斯等特殊地段，为提高精度，采用连续重叠式预报，按平均每次预报120m考虑。

DTC-150系统是根据地震波的回波原理，人工制造一系列有规则排列的小型震源，由三分量地震波接收器在计算机的监控下采集这些震源所发出地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体（如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等）被反射返回的地震波数据。这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的，通过分析可以得到前方地层的地质力学参数。

3.3地质雷达超前探测法（GPR）

地质雷达法通常是一种利用高频至特高频波段（即空气中电磁波波长10m波段至分米波段）电磁波的反射法无损探测方法。

所采用的SIR-20型地质雷达，探测范围为掌子面前方30m。在系统主机的控制下，发射机通过天线向隧道掌子面前方定向发射电磁波。垂直于隧道掌子面传播的电磁波当遇到有电性差异（介电常数、电导率、磁导率不同）界面或目标体时即发生反射，反射波被天线接收进入接收机，并传到主机，主机对从不同深度返回的各个反射波进行放大、采样、滤波、数字迭加等一系列处理，可在显示器上形成一种类似于地震反射时间剖面的地质雷达连续探测彩色剖面。

数据处理时，首先根据扫射回波的形态、反射强度及其变化在连续剖面上判别目标性质，再根据回波的时间和速度确定目标深度，然后将这些信息绘成剖面成果图，为隧道掌子面前方地质异常体的预测提供基础资料。

3.4瞬变电磁法探测法（TEM）

瞬变电磁法探测法（TEM）作为DTC150超前地质预报的补充，在可溶岩地段对DTC150预报的异常点采用瞬变电磁法作为补充手段，进而确定异常体的规模、性质等。

下面以均匀大地的瞬变电磁响应为例，来讨论回线形式磁偶源激发的瞬变电磁场，从而阐述瞬变电磁法测深的基本理论。

在导电率为σ、导磁率为μ的均匀各向同性大地表面敷设面积为S的矩形发射回线在回线中供以阶跃脉冲电流

在电流断开之前（时），发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过空气和地下导电介质传至回线周围的大地中，并在大地中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场、使空间的磁场不会即刻消失。

由于介质的欧姆损耗，这一感应电流将迅速衰减，由它产生的磁场也随之迅速衰减，这种迅速衰减的磁场又在其周围的地下介质中感应出新的强度更弱的涡流。这一过程继续下去，直至大地的欧姆损耗将磁场能量消耗完毕为止。这便是大地中的瞬变电磁过程，伴随这一过程存在的电磁场便是大地的瞬变电磁场。

瞬变电磁法的资料解释步骤是首先对采集到的数据进行去噪处理，根据晚期场或全期场公式计算视电阻率曲线，然后进行时深转换处理，得到各测线视电阻率断面图。最后，根据探测区的地球物理特征、TEM响应的时间特性和空间分布特征并结合矿井地质资料进行综合解释，划分地层富水区分布范围。

3.5超前地质钻探法

超前地质钻探是利用钻机在隧道开挖掌子面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。超前地质钻探法适用于各种地质条件下的隧道超前地质预报，在赋水软弱断层破碎带、赋水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段必须采用。

四、综合超前地质预报实施方案

不同地质条件，采用不同组合的综合预报实施方案，详见表4-1。

表4-1                      综合预报实施方案

自综合预报方案实施以来，根据探测结果，及时发布超前预警，根据预警信息组织相关方现场勘查，进行设计变更，制定有效的针对性措施，对隧道安全施工起到了有效的推动作用。

五、总结

本隧道工程通过综合超前地质预报系统，多次正确的判断出隧道施工前方的地质情况，对隧道安全施工起到了良好的推动作用，结果充分表明，利用多种手段相结合的综合超前地质预报系统可以更加有效的指导隧道安全顺利施工。

参考文献：

1、陈建峰；隧道施工地质超前预报技术比较[J]；地下空间；2003年01期

2、刘义虎；张志龙；王跃飞；王兰生；多种超前地质预报方法在雪峰山隧道中的应用[J]；地质灾害与环境保护；2006年02期

3、李华；李富；鲁光银；何现启；TSP法与探地雷达相结合在隧道超前地质预报中的应用研究[J]；工程勘察;2009年07期