浅谈公路隧道地质超前预报的方法

浅谈公路隧道地质超前预报的方法

安静 1 高自恒 2

云南通衢工程检测有限公司 云南省昆明市 650041

摘要：近年我国高速公路事业发展迅猛，高速公路中的隧道工程数量较多，隧道施工过程中的地质超前预报工作重要性越发明显，本文结合工程实例，对地质超前预报常用的物探方法做简单地介绍。

关键词：公路隧道；地质超前预报；方法探讨

引言

十三五期间我国交通工程基础设施建设投资加大，公路事业发展迅猛，至2020年底云南省高速公路通车里程累计超过8000公里，使云南省的高速公路规模产生质的跨越。云南省属于高原山岭地貌，区内多高山大山，云南的高速公路桥隧比较高，部分新建高速公路桥隧比甚至高达70-80%。在近年新建的高速公路中，隧道工程数量增多，尤其长隧道、特长隧道的数量越来越多，在这些大型隧道施工过程中，隧道地质超前预报工作为指导施工发挥着巨大的作用。

1、地质超前预报的目的

隧道地质超前预报的目的主要为以下2个方面：

（1）为设计提供准确的隧道围岩分级，在施工阶段，通过地质和物探手段，分段详细查明隧道内围岩的岩性、风化程度、完整程度等地质条件，为隧道支护参数的确定提供依据。

（2）为施工方提供掌子面前方可能存在的不良地质情况，提前采取预防措施，保障隧道安全施工。

云南地处祖国西南云贵高原，省内地形地质条件复杂多样，这给云南的隧道建设带来巨大的难度。隧道是深埋于地下的工程，隧道建设与周围的地质条件密切相关，周围岩体的情况决定着隧道的稳定性和隧道施工的安全性，但在前期勘察阶段，难以准确地查明隧道洞身位置的地质情况，尤其是特长深埋隧道。需要在隧道施工阶段开展地质超前预报工作，对隧道的围岩级别和前方可能存在的地质灾害做更加精准的预报，以保证隧道支护形式的适宜性和隧道施工的安全。

2、地质超前预报的内容

概括地说，地质超前预报的内容主要包括2个方面，一是对掌子面围岩进行分级，二是预报掌子面前方可能存在的不良地质现象。

3、围岩分级的方法

围岩分级主要通过岩石质量指标BQ值进行分类，决定岩石质量指标的因素有2个，一是岩石的坚硬程度，二是岩体的完整程度。这2个指标可以通过目测和锤击的方式定性确定，也可以通过试验定量地确定。

定性确定的方法首先通过目测确定岩石类别及风化程度，通过敲击岩体的声音和感觉等特征确定岩石的坚硬程度；再通过岩体中结构面的数量和特征确定岩体的完成程度，最后综合岩石的坚硬程度和岩体的完整程度对围岩进行分级。

定量确定的方法中，首先通过试验确定岩石饱和单轴抗压强度、岩体和岩石的弹性纵波波速，根据《工程岩体分级标准》的相关规定计算岩体基本质量指标BQ值，即可定量地得出岩体的类别。

4、不良地质体预报的方法

在公路隧道地质超前预报工作中，对不良地质体的预报比较常用的物探方法有地震波法和地质雷达法。

4.1地震波法

地震波法是利用地震波在传播过程中遇到异常产生反射波，仪器接收反射波，通过对这些反射信号的解译来进行地质超前预报。

目前国内外已有多种地震波预报设备出现，该类设备采集方法类似，均采用炮点爆破作为震源，检测前首先在隧道一侧边墙布置18-24个爆破孔，爆破孔位于同一水平高度，第一个爆破孔距离掌子面约5米，爆破孔间距2米，孔深2米；在距离最后一个爆破孔20米的左右两侧洞壁布置2个接收孔；检测时，采用炸药爆破产生地震波，瞬时激发仪器进行数据采集，顺序完成24孔的爆破，既完成采样工作。

4.2地质雷达法

目前国内外有多款地质雷达产品应用于地质超前预报，如美国劳雷代理的SIR系列、瑞典马拉雷达、国内矿大雷达和青岛光电所的雷达。采用地质雷达进行地质预报探测一般采用100M低频天线，探测距离一般20～30米，检测时天线贴近掌子面，一般在掌子面底部和中部沿掌子面横向布置2条测线，掌子面较宽或者地质条件复杂时可以增加竖向测线，以采集更丰富的雷达数据，一般采用点测，点距控制在0.2米以内。

5、典型案例

5.1地震波法应用案例

在某隧道进行地震波法地质超前预报，其掌子面出露岩性为紫红色、黄褐色粉砂质泥岩夹砂岩，呈强风化，层状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎，岩质较软，掌子面左侧涌水。

在该段落使用TSP303进行地震波法地质超前预报，对数据进行处理后，得到相关岩石力学参数和相关的2D/3D效果图。

根据地震波分析成果图及隧道内地质调查，分析K48+865～K48+712段落内的地质结果如下：

K48+865～K48+855段岩石力学参数中Vp、Vs、Vp/Vs、泊松比、密度、静态杨氏模量相对前一段有所升高，说明围岩完整性较差、强度较低。推测该段围岩节理裂隙发育，岩体破碎，多呈碎裂结构，地下水为基岩裂隙水，多呈股状或淋雨状滴水。

K48+855～K48+832段岩石力学参数中Vp、Vp/Vs、泊松比相对前段明显上升，Vs 、密度、静态杨氏模量相对前段略有变化，但有变化不明显，反射层有所增加，说明围岩强度和完整性相对前段有所提高。推测该段围岩与前段相比，围岩稍有变好、变完整趋势，节理裂隙发育，总体为较破碎～破碎，风化程度为强风化，围岩与前段相比含有大量的地下水，多呈股状或淋雨状滴水。

K48+832～K48+788段岩石力学参数中Vp、Vp/Vs、泊松比相对前段稍有下降，Vs 、密度、静态杨氏模量相对前段有明显上升，偏移有序，反射层较少，说明围岩有变好、变完整、变硬趋势，强度相对前段增高。推测围岩总体为较破碎，局部破碎，节理裂隙发育，风化程度为强-中风化，围岩中基岩含水量相对前段明显减小，局部有滴水或淋雨状滴水。

K48+788～K48+712段岩石力学参数Vp、Vs 、Vp/Vs、泊松比、密度、静态杨氏模量相对前段有明显的上升，岩石力学参数基本稳定，上升趋势明显，偏移有序，无明显反射层，说明围岩有明显变好的趋势。推测该段围岩以完整性一般或较差，局部稍破碎，节理裂隙较发育，风化程度为中风化，岩体中基岩含水量相对前段明显减少。

实际开挖工程中，对比地震波预报结果和隧道内实际地质情况，一致性较好，对围岩完整性和富水情况的预报基本与实际情况相符，说明地震波法地质超前预报的效果较好。

5.2地质雷达法应用案例

在上述段落采用GSSI3000地质雷达进行地质超前预报，对数据进行分析得到雷达波形图。

该雷达波在掌子面前方6米位置发生强振幅反射，电磁波频率降低，脉冲周期增大，反射波同相轴连续，波形相对较均一，这些都是地下水赋存区的地质雷达特征，结合地质雷达波形图及实际地质情况，推测预报段前方岩体节理裂隙发育，岩体破碎，地下水较发育，为地下水富集区。后经过开挖验证，掌子面前方地下水确实含量较大。

6、总结

隧道地质超前预告是一项专业性很强的工作，也是需要在长期实践中不断积累经验的工作，要想做好隧道地质超前预报工作，不仅需要预报人员具备扎实的地质基础，同时需要具备专业的物探能力，熟练操作各种物探设备，精通物探成果的分析和解译，结合隧道现场地质调查情况和物探分析成果，对隧道围岩分级做出精准地分类，对可能存在的不良地质现象做出精准地预报。