基于西南某隧道案例的工程地质超前预报方法探讨

摘 要：随着我国铁路、公路运输、隧道及水电建设南水北调引水隧洞建设的加快，隧道（洞）的勘查设计时间比较短，隧道工程地质超前预报显得尤为重要，本文以笔者参与的某隧道工程地址超前预报为研究对象，分析了TSP&GPR联合探测方法在该隧道的具体应用，全文从四个层次逐层深入，探讨了TSP和GPR的相关原理及研究进展，全文是笔者长期工作基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键字：TSP GPR 隧道工程 地质超前预报

中图分类号：TB21 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（c）-0056-02

随着我国铁路、公路运输、隧道及水电建设南水北调引水隧洞建设的加快，隧道（洞）的勘查设计时间比较短，在隧道（洞）工程建设开发之前，很难提供足够的时间物资来用于详细的岩土工程地质勘察，况且我国目前的勘察手段、钻探等很难准确的全面的探明整座隧道（洞）工程地质、水文地质等条件，很难查明所有的不良地质作用。特别对那些埋深大（如锦屏水电枢纽引水隧洞工程，一般埋深190 km左右，最大埋深达2300 m），长度大（如南水北调引水隧洞工程穿越雅龙江—— 大渡河的分水岭隧洞长71.4 km），地质环境条件又复杂的隧道（洞）。因此隧道（洞）建设工程的超前地质预报技术的应用迫在眉前提上日程。

1 地质雷达和TSP简介

地质雷达和TSP都是目前在隧道超前地质预报中的常用方法。两种方法各有所长：TSP是长距离预报手段预报距离可以达到150 m左右，地质雷达是短距离预报手段每次探测距离在35 m左右；二者探测精度也有所不同，TSP了解大致的地质情况，在此基础上运用地质雷达进行复核，准确查明不良地质情况，长短结合，这是目前运用这两种探测技术进行超前预报的普遍做法。

1.1 地质雷达的发展应用情况简介

自20世纪80年代末以来，地质雷达的应用领域得到了迅速扩大。在采矿工程、水利水电工程、地质工程与岩土工程勘察、建筑工程、公路工程、隧道工程、管线工程、环境工程、考古等众多领域已经开始了应用。

地质雷达在矿山工程中用于探测采空区，地下水防突层厚度，渗水裂隙，破碎带，断层，溶洞，自燃区，瓦斯突出，巷道围岩（扰动区）松动圈以及采场充填体缺陷等工程灾害隐患；在水利水电工程中主要用于探测堤坝工程灾害隐患和坝基灾害调查；在地质工程与岩土工程勘察中主要用于建筑物滑坡灾害调查、基岩面探测、地基夯实加固检测、地基勘察（如地质异常、旧基础、溶洞、采空区等地质隐患探测）、溶洞灾害探测、地层分层、地质结构灾害和地下水灾害隐患探测以及地质灾害评估；在公路工程中主要用于公路路面厚度检测、公路路面密实度、地基勘察、公路路面与路基病害调查。

在隧道工程中的，地质雷达的应用较晚，在运营期它用来进行隧道病害诊断，施工期用来做质量检测对二次衬砌厚度进行评估等；另外一方面重要的应用就是施工期的超前地质预报中，近几年的应用已经获得了良好的效果并取得了很多有益的成果。

1.2 TSP简介

TSP（Tunnel Seismic Prediction）是瑞士安伯格测量技术公司于20世纪90年代初期研制开发的一套超前预报系统。该系统专门为隧道地质超前预报设计，对隧道施工、地下矿藏和洞穴都能开挖提供有效的帮助.自1994年TSP系统进入国际隧道建筑市场以来，TSP的工程应用已经超过10年。90年代初，瑞士的特长铁路隧道，20 km长的费尔艾那隧道采用TBM施工技术，为了配合TBM施工，TSP探测技术首次投入费尔艾那隧道施工中，对保证TBM施工安全起到了积极的作用。随后，TSP测量技术被世界各地的隧道工程界普遍接受并得到广泛应用。

自1994年TSP系统进入国际隧道建筑市场到今天为止，已经成功地在全球诸多国家如瑞士、瑞典、意大利、法国、伊朗、日本、韩国、等国家的公路和铁路隧道、输水隧洞、煤矿巷道等进行了上千次卓有成效的地质超前预报工作并且得到了中国的隧道工程技术人员广泛认同，并成功地应用于国内的公路和铁路隧道、输水隧洞和煤矿巷道等工程中。

2 TSP和GPR综合超前地质预报分析

电磁波传播特性要求地质雷达资料处理在相当程度上有别于弹性波的方法，这方面存在许多值得研究的课题，如地质雷达波的衰减特性与地震波有很大区别，地质雷达波与地震波在地下介质中的传播特性也明显不同。对不同隧道工程地质条件，充分考虑其地球物理特征，选择多种有效的地球物理方法进行综合勘探，结合地质构造特点对观测资料进行综合分析和解释，有助于最大限度地消除资料解释的多解性。

综合地球物理勘探解释可以是利用反映介质相同或相似特性的不同方法之间的综合解释，如地震反射资料、折射资料和天然地震资料的综合解释，也可以是反映介质不同待性的不同方法之间的综合解释，如地质雷达资料、TSP资料的综合解释。

GPR方法是利用隧道前方岩石介质界面的电磁特性差异而产生的电磁反射波进行隧道超前预报，其发射的是高频的电磁脉冲，在复杂的地质环境下，电磁波的衰减很快。在岩性较好情况下该方法仅适应于预报隧道掌子面前方SOm范围内的地质情况，一般用来探测开挖面前方10～30 m范围内及隧道周围的地质状况，属于短期超前地质预报的范畴。由于利用了高频电磁波，所以GPR分辨率比TSP要高，相应地，其地质异常定位比TSP精确。另外，由于电磁波透过空洞或溶洞以后能够继续向前传播，而地震波勘探时，前面的较大的溶洞往往会将后续地质异常遮住，形成探测盲区。

3 某隧道工程地质条件

隧道跨越了某大断裂的次生带区，洞内岩性变化频繁，地下水极为丰富。隧道经历了自稳性极差的炭质板岩、泥岩，溶洞、溶缝极为发育的灰岩及较为富水的砂岩及断层破碎带含瓦斯地层等不良地质构造。隧道两次穿越南溪河的冲积层，线路在较长地段顺冲沟而行，隧道围岩多属Ⅱ、Ⅲ类，强度较低，自稳能力差，且岩性经常变化，地质条件较为恶劣，施工难度极大。

复杂多变的地质条件常常导致勘察得到的隧道围岩与实际发现的围岩有着较大的差异（如图1）。

3.1 地层岩性

隧道围岩属上三叠统一碗水组地层，少量属路马组地层，岩性相对比较复杂，硬质岩有板岩，含炭质板岩、弱变质灰岩；超基入岩体，软质岩有砂岩、泥岩。由于受哀牢山大断裂及次一级构造的影响，隧道基本上出露灰岩、深灰色板岩和炭质板岩。表层强风化破碎，围岩范围内板岩基本上呈现出弱风化碎块状或块状，节理裂隙发育，不均匀风化，弱变质深灰色灰岩及超基入岩体为弱风化大块状，隧道围岩出现的浅黄色砂岩和紫红色泥岩属软质岩类。

地层岩性对隧道施工中地质灾害的产生具有决定性作用，特别是塌方的发生主要与岩性有关。90%以上的塌方发生在碳质板岩中。而在灰岩和砂岩中，主要表现为掉块现象，仅局部地段出现塌方。涌水的发生也与岩性有关，砂岩中一般是线状流水，板岩中一般为多处同时渗水，灰岩中则一般为线状或股状水流。由于岩性界面往往是富水部位，因而在岩性发生变化的部位也是涌水易出现的位置。

3.2 地质构造

安定向斜：由三迭系上统路马组和一碗水组组成，轴部向西北端昂起，东南段延展幅宽达24 km，岩层倾角40°～60°，次级褶皱发育，受走向断裂的干扰破坏，地层重复而构造重迭，递错，使向斜支离破碎，残缺不全。

隧道范围内有断裂穿过。断裂延伸30～90 km不等，沿断裂带常见片理岩、糜棱岩、碎裂岩、挤压角砾岩及岩石破碎带等，并有超基性岩浆岩侵入，断面多倾向北东，局部倾角450°，为压扭性构造。

区内构造复杂，断裂和节理发育。据统计，隧道内围岩中主要发育四组构造，产状分别为143°/NE/74°，80°/NW/79°，172°/NE/28°和170°/NE/76°，其中以第一组最为发育。节理的长度一般50～2250 cm，局部地段长度达3 m甚至l0 m以上。节理面一般较为粗糙，较长的节理面则较为平直光滑。

短小的节理多数闭合，而长度较大的节理缝则宽度较大，多为0.5～2 mm，最大达6～9 cm。塌方和涌水即出现在节理长度大、节理缝宽、节理面平直光滑的地段。

根据地表地质调查，下行线K255+180和上行线K255+210的地表为一常年流水河沟通过，见断层角砾岩，气孔构造的喷发岩，还有煌斑岩。上行线K255+280的地表为一山坳，两侧岩层产状杂乱。其中隧道下行线255+160～+282、上行线K255+200～+349位于两条断层的交会处，即断三角带。

3.3 水文条件

隧道磨黑端常年水位线高于隧道，上行线隧道洞顶距最高地下水位线为128 m，下行线隧道洞顶距最高地下水位线为214 m。路线区域内分布松散层孔隙水，碳酸盐岩岩溶水和基岩裂隙水三大类。基岩裂隙水分布最为广泛，其中以碎屑岩裂隙水为主。松散层孔隙水：松散层孔隙水主要分布于第四系冲洪积和残坡积层中，在砂性土中相对较丰富，接受大气降水补给，径流排泄不畅，常年滞水，而粘性士，水量相对贫乏。碳酸盐岩岩溶水：区域出露的碳酸盐岩较少，只是在隧道部分出现了少量的灰色灰岩接受孔隙水及基岩裂隙水的补给，一般以溶洞的形式排泄。裂隙水对洞口滑坡和洞内崩塌的形成起重要作用。砂岩及灰岩中赋存有裂隙水，由于裂隙水压力的作用，水沿裂缝的楔入作用使岩体凝聚力降低，内摩擦角减小，力学强度降低，引起塌方。

总之，隧道的水文地质条件相当复杂，从某种意义上说，水已经成为影响围岩稳定的最主要的因素。

4 某隧道TSP&GPR联合探测结论

隧道K255+689～K255+539段TSP探测时，因为TSP探测在该处纵波反射能量比横波弱，反射能量分别为3.67e～4，2.42e～3，呈现反射波振幅，所以预报K255+689～K255+574段为硬岩层，在K255+605附近富水。实际施工情况K255+689～K255+574段为硬质板岩和灰岩，在K255+600处涌水量大，大1000m3/h，施工中增加了排水设施，增强了支护。

隧道挖掘到K255+600灰岩地层附近遇到岩隙涌水，随后利用GPR进行短期超前探测。得到雷达探测剖面，从剖面图上明显看到反射波振幅异常强烈，从而无需进一步的分析即可圈定涌水通道的范围。后经施工证实，K255+600处涌水通道为灰岩垂直溶隙。

参考文献

[1] 赵俊科.隧道工程施工技术研究[J].工程现代化，2007（6）.

[2] 潘天滋.工程勘察技术国内外研究现状[J].四川建材，2006，23（11）.