公路隧道施工超前地质预报方法探讨

公路隧道施工超前地质预报方法探讨

王连成　钟　鸣　汪　洋　涂　耘

（重庆交通科研设计院　重庆　400067）

摘　要　公路隧道施工超前地质预报是一项复杂的系统性工作，超前地质预报的方法应包括地质分析法、地球物理法（物探）及钻探法。本文主要就地球物理法与地质分析法结合进行论述探讨，仅探讨仪器及其参数的选择而不涉及所使用的仪器型号。

关键词　公路隧道　超前地质预报　地球物理法　地质分析法

1　引　言

公路隧道施工超前地质预报是一项复杂的系统性工作，从广义上讲贯穿于隧道施工的全过程。其作用是补充勘探，途径包括采用的有效手段、方法，从观察到的地质现象到对现象的分析计算后所做出的判断等。其任务：一是进一步划分和确认围岩级别；二是有效探测不良地质，目标是预防灾害发生，减少损失。

超前地质预报方法应包括地质分析法、地球物理法（物探）、钻探法及其有机组成的综合法。本文主要就地球物理法与地质分析法结合进行论述探讨。

地球物理方法包括：

①弹性波法（地震波、声波、超声波）：使用仪器频段为1 Hz～100 kHz，其中地震波为1 Hz～1 kHz，声波为10 Hz～10 kHz，超声波为1 Hz～100 kHz。典型仪器有TSP203plus、TGP206、陆地声纳等隧道超前地震探测仪，面波仪（瑞利波），多波探测仪。

②电磁（波）法：从高频到红外仪器所使用频段为30 MHz～3．0×10⁵ GHz，如地质雷达法、红外梯度探测法。

图1　超前地质预报方法

③电法：如高密度电法、Beam电法超前预报、瞬变电磁法。

在实际应用中，所使用的这些仪器有不同的组合。

2　超前预报方法

2．1　预报思路

隧道施工超前地质预报有一个完整的综合方法，这些方法所使用的深度和广度应视工程所处的地质复杂程度而定。所采用的不同仪器组合会占用不同的资源、宝贵的现场工作时间，并具有不同的技术效果。以下是一种组合方式（如图1所示），实践中还有其他好的组合。

不同仪器及参数的选用取决于分辨率和探测深度，施工跟踪超前预报，在既要保持较大探测距离，又要具有较高分辨率的情形下，须折中选取或采用多参数探测。

2．2　预报方法

超前地质预报方法可总结为以下“三部曲”，基本缺一不可：

①搜集前期地质勘察资料和既有勘测成果，研究、熟悉并掌握隧道通过地层的岩性、构造概貌、不良地质出现的规律，把握隧道所要穿过的高风险地段的位置、长度、地质类型、特点，分析勘察工作的详细程度或不足，找到不确定的问题等。

②掌子面地质描述：当前掌子面处于设计图上的哪个位置（桩号），围岩岩性及结构、构造，硬度或强度，处于构造的哪个部位，风化程度，节理裂隙发育程度，渗漏水情况，围岩完整性与稳定性等，并初步推测或判断掌子面前方的不良地质出现的可能性，从而为接下来的超前地质预报提供基础资料和依据。该观察描述同时也为下一次预报时调整所使用仪器及工作参数、工作方式提供依据。

③在较宏观和较微观上分别以前期地勘资料和掌子面观察描述为基础和依托，进行掌子面超前探测，并依据探测成果资料和所处地质背景进行超前地质预报。即使用有效探测手段，工作在掌子面、现场与既有地勘资料之间。

2．3　地质分析法

地质分析法并非是空洞的，而是随时都在使用的。该方法的运用也是首先建立在对隧址区地质情况全面熟悉和把握的基础上进行的，包括地层及岩性，构造及发育程度，水文单元及隔水层、含水层，浅埋段等。另外需要现场预报人员对相应地层岩性、厚度、构造等有较准确的判识。但当碳酸盐岩及岩溶或构造发育复杂时，须借助于有效探测手段预报结果会更为准确。

进行预报时，以下地层真倾角与视倾角的换算公式会经常使用：

式中，γ为断层面或地层在剖面线上的视倾角；α为剖面线走向与断层或地层倾向间夹角；β为断层或地层真倾角。

以下是一个在隧道施工初期进行地质分析预报的实例。

某3车道隧道全长1 490 m，围岩主要为花岗岩、长石石英砂岩、泥灰岩。F7断层沿左洞右侧呈舒缓波状平行延伸达1 km，平面图上断层与地面交线时常与洞中心线相交，其产状为158°～170°∠65°～70°，断层带宽度10～25 m。经计算分析和地质作图认为：

①根据F7断层的平面位置、产状、规模和宽度，F7断层主要对隧道左线有影响，对右线基本无影响。

②隧道走向约60°～270°，F7断层走向68°～80°，二者以小角度斜交，断层带与左线隧道洞身必定相交，且从该断层走向变化看也只能相交一次。

③根据钻孔资料，F7断层破碎带下界应从隧道纵断面图中ZKS12钻孔处的139．6 m标高下移到132．6m，ZKS13钻孔处的111．42m标高下移到108．22m，实际连接起来的断层在隧道纵断面图上的视倾角为24°，这与平面图上所认定的断层位置基本相符。另外，ZK27＋600～＋800段，所提供的F7断层产状为170°∠70°，但计算出在隧道纵断面图上的视倾角应为11°～23．3°。地层产状各为210°∠45°（侏罗系），185°∠55°（泥盆系），在隧道纵断面图上未做换算，视倾角应各为35°（侏罗系）、25°（泥盆系），图上的视倾角远高于相应的视倾角，且高于各自的真倾角。

④根据地勘报告中ZKS12，ZKS13钻孔资料，相交地点从隧道洞顶到洞底应在ZK27＋756～ZK27＋829，断层带在洞身范围内的延伸长度为73 m，小桩号一侧的洞身位于断层下盘，大桩号的一侧洞身位于断层上盘。

⑤根据ZKS4钻孔资料，右线ZKS4钻孔附近应由Ⅱ级围岩划为Ⅲ级更为妥当。

⑥其他地段设计为Ⅱ级围岩，由于砂岩的纵波速度不高（3 200～4 100 m/s），这主要取决于围岩完整性。

⑦根据ZK27＋200～ZK27＋800段断层带主要表现为强烈硅化作用，构造带内主要是碎裂岩、构造角砾岩、次生石英岩，胶结紧密，胶结物为硅质、钙质，且此处埋深最大为100 m，直接水头压力为1 MPa，再考虑到围岩对地下水的阻隔系数，水压会大大减小。另外，地面并无较大水系，仅在浅埋段有一条小河沟，可通过提前实施地面注浆处理，减少向洞身的渗入。因此当左线隧道通过该断层带时，不应有较大涌水发生，也不应有突泥现象。断层破碎带（ZK27＋726～＋832）划定为Ⅳ级围岩，目前认为基本恰当。但根据ZKS13钻孔资料描述，该钻孔附近（ZK27＋790前后）实际围岩级别可能会为Ⅴ级。

⑧地面电法报告显示，左洞洞身ZK27＋540处附近为明显视电阻率低阻区，可解译为此段围岩为节理裂隙破碎含水带或潮湿破碎带。按照此处断层与隧道的位置与关系，断层破碎带内侧离隧道左侧壁洞顶距离12 m，离隧道左侧壁底部距离为14．5 m。另外，此段围岩为砂岩或粉砂质泥岩，不应有强烈风化，应是由断层附近的节理裂隙带局部含水所致。

以上认识和预报，在进一步预报和隧道开挖过程中得到证实。

2．4　地球物理法

2．4．1　地质雷达法

通常采用地质雷达可基本确认掌子面前方0～30m或40m范围内的围岩情况正常与否，0～20 m范围内的风化破碎带，0～5 m内的较小溶洞，0～15 m内的较大溶洞，主要是依据其信号的衰减和波形特征。但对于岩溶复杂发育区等情形下，获得高工作密度、高质量的原始图像资料成为在几乎苛刻的现场工作条件下的一个重要因素。

图2　掌子面前方风化带

图2是地质雷达探测掌子面前方风化带的实例。根据有关设置参数和后处理参数，认为前方0～20 m范围内为花岗岩强风化破碎带，围岩级别为Ⅴ级。

图3是地质雷达探测隧道边墙围岩中积水的情况。根据该图像认为深度0．5～1．5 m范围内有积水。

2．4．2　地震波法

在地震波法解译中，依然要依据以下准则：

①反射振幅越高，反射系数和波阻抗的差别越大。

②正反射振幅表明正的反射系数，即刚性地层，负反射振幅则指向软弱岩层。

图3　围岩中含水

③若S波反射比P波强，则表明岩层包含水。

④V_P/V_S较大的增加或泊松比突然增大，常常因流体的存在而引起。

⑤若V_P下降，则表明裂隙密度或空隙度增加。

图4是在变质砂岩段进行地震波法探测时依据以上准则分析解译的一裂隙水断续发育段，虽含水较丰富，但由于围岩整体强度较高（纵波速度较高），围岩稳定性较好。经过开挖揭露，隧道拱部多处分段淋水。

2．5　围岩级别划分

关于围岩级别的划分，一是要参照现行《公路工程地质勘察规范》和《公路隧道设计规范》，二是要依据超前地质预报成果，见表1。

另外地勘规范中还强调应考虑到围岩含水、浅埋时酌情升级（降类）及节理裂隙发育程度、风化程度等因素。

图4　地震波探测围岩含水实例

对应于表1，表2是有关混凝土及未风化或微风化岩体的弹性波速度。

表1　现行地勘规范的划分和依据

表2　介质与纵波波速对应关系一览表

通常情况下，未风化的岩石，砂岩速度较低，一般为3 000～3 500 m/s，硅质胶结的砂岩可达5 000 m/s以上，而花岗岩、花岗片麻岩、石灰岩、熔结凝灰岩等的纵波速度可达5 000 m/s以上，甚至高达6 000 m/s以上，见表2。

对于电磁波法，对较短距离的掌子面前方预报，无论是围岩级别划分还是不良地质探测，一是依据掌子面观测情况和既有地勘对前方岩性的基本把握；二是要看波形变化和信号衰减。

图5　掌子面前方的推断溶洞

2．6　不良地质探测

不良地质应包括强风化或断层破碎带、含水带、石灰岩溶洞等。

图5在石灰岩中进行地质雷达探测时推断的掌子面前方的溶洞。

由于地下水对纵横波的阻隔影响不同，即纵波为压缩波（弹性波），围岩的密度一般为2．2～2．8，纵波速度为3 000～5 500 m/s，而水的密度为1，纵波速度为1 460 m/s。当纵波穿过含水层时，纵波在围岩与水体界面应产生明显反射，同时一部分能量透过含水层。

而横波为剪切波，水的剪切模量为零，理论上讲横波不能通过强含水层，因此在岩—水交界面处应形成强的横波反射，且进入或经过水体后横波衰减为零。所以，通过对横波、纵波各自反射幅度的对比分析，可定性判定掌子面前方是否有含水层或含水溶洞。可实际中并不一定完全是这样理想的截然分开的界面。

根据有关报道，地震波法预报探测到了直径1～2 m的溶洞。另外，溶洞或断层破碎带所对应部位的纵波速度、密度、杨氏静态模量等参数首先变高，然后变低，其实际位置对应于变低部位，泊松比整体变高。这与理论基本相符。

3　结　语

①地质分析法预报是超前地质预报的基础。地质雷达可分辨尺寸和规模较小的溶洞，进行近距离探测预报，但探测距离较近，且现场需要较大探测密度才不易漏探，同时对现场工作条件有较高要求。

地震波法可对掌子面前方进行较长距离预报，反映前方围岩的整体块段情况和较大规模的不良地质。

②钻探是最直接的有效探测手段，但对于像溶洞这样不均一发育的不良地质而言，同样需要较大工作密度、工作量，若大量实施对施工进度有较大影响，并显著增加施工成本。

③在地质预报过程中，要想获得可靠、准确的预报效果，除了有针对性地采集高质量的数据和选择合理的处理参数外，解释过程中探测成果必须与隧道地质情况有机地结合起来，才能将物探信息转换成地质成果，最终达到解决隧道施工的有关地质问题。