1. 中铁十四局集团第四工程有限公司
摘要：我国是世界上岩溶分布面积最广的国家之一，在岩溶地区修建隧道时，施工中极易发生不良地质灾害，为降低施工灾害发生频率，确保施工安全，施工前有必要进行超前地质预报。首先，总结了超前地质预报的发展现状及基本原理。然后以盛家堡隧道为依托，通过前期的地质分析，在了解隧道可能发生的地质灾害基础上，运用TSP-203探测仪器、GPR等物探手段对盛家堡隧道的不良地质体进行了探测，并结合钻探数据分析对比，探测结果与现场实际揭露情况基本吻合。实际应用表明，采用综合超前地质预报体系，可有效规避施工过程中的不良地质灾害，提高工程的经济效益。
关键词：岩溶隧道、地质雷达、超前地质预报、TSP
0引言
随着我国交通事业的快速发展，铁路建设进入高速发展阶段。湖北、四川、广西等地岩溶地质发育，铁路隧道不可避免的要穿越岩溶地质区域。岩溶隧址区内常伴随突水涌泥、地面塌陷和较大地表沉降等地质灾害，严重影响到隧道的施工质量和安全，甚至造成人员伤亡和重大经济损失。因此岩溶地区超前地质预报的准确性与施工安全及工程经济效应息息相关，提高岩溶地区地质预报的准确性，建立综合预报体系，已成为岩溶地区隧道施工的必然要求。
隧道不良地质体超前预报，根据预报距离，分为长期和短期两种预报形式。长期超前地质预报的预报距离为掌子面前方100～200m以上。对于隧道不良地质体的长期超前地质预报来说，国内外主要采用TSP隧道地震勘探法来进行。短期超前地质预报是在长期超前地质预报的基础上进行的，预报距离为掌子面前方15～30m。短期超前地质预报，国内外主要采用地质雷达、水平钻探、红外探水和掌子面编录预测法(地质素描法)等进行。TSP超前地质预报方法可以对岩体的参数进行定量的显示，对工作面前方遇到与隧道轴线近垂直的不连续体(节理、裂隙、断层破碎带等)的界面，可预报断层、溶洞和富水带的位置和规模，其结果比较可靠，但如果不连续体的界面形状不规则，准确预报的难度较大，且每次耗时约2h，占用工期较长，每次预报距离为150m[1]。地质雷达能预报掌子面前方地层岩性的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力，重点预报涌水，预测断层、溶洞和富水带的位置和规模，但是探测的距离较短，大约在20～30m之间，同时雷达记录易受干扰，每次耗时约1h，每次预报距离为10～25m。因此，本文依托湖北省黔张常铁路盛家堡隧道通过前期的地质分析，在了解隧道可能发生的地质灾害基础上[2]，遵循“以地质分析为核心，综合物探与地质分析相结合，洞内外相结合，长短预报结合”的原则，结合现场情况，通过层次分析，采用最优的物探、钻探手段对掌子面前方的地质情况进行预报，达到提高预报效率和预报准确性的目的。
1超前地质预报发展现状及基本原理
1.1TSP超前地质预报
20世纪90年代初，瑞士安伯格技术公司研发了一套超前预报系统设备—TSP，即隧道地震预报系统。该系统采用地震波反射原理，地震波由24个爆破点上的小剂量炸药爆炸产生，当爆炸产生的地震入射波遇到岩体结构有变化的岩层时，在不同介质的分界面上，部分入射波被反射，采用电子传感器接收。因地震波在岩体中以固定的速度传播，所以反射波的到达时间和入射波到达不同岩体分界面的距离成正比，故能间接测量地质变化带和测点之间的距离，预测隧道掌子面前方的地质结构及围岩地质状况。图1为TSP测量原理及测量布置示意图。
纵波波速计算公式：
1.3综合超前地质预报体系
隧道地质超前预报体系，包括隧道所在地区地质分析、隧道不良地质体超前地质预报、超前水平钻探三部分。其基本原则是“长短预测相结合，各预报方法相互补充验证”。以地质调查为依据，通过TSP法进行长距离宏观预报，对不良地质段采用探地雷达法探测以提高物探精度，必要时辅用红外探水法及超前水平钻探，最后进行地质综合判断。其技术路线图如图所示。
隧道进口起于志留系上统纱帽群组泥质粉砂岩夹页岩，洞身穿越二叠系下统栖霞组灰岩，出口位于二叠系茅口组灰岩地层中，此外志留系地表及可溶岩洼地内分布有大量冲积、坡积第四系覆盖层，分别为第四系全新统（Q4）、二叠系下统（P4）、志留系上统（S3）构造岩。工程场地构造体系主要隶属华夏和新华夏构造体系。大地构造单元属扬子地台，二级构造单元为鄂黔台褶带，带内以斜歪褶皱为主，总体有向斜紧密、背斜相对宽缓的特点。而断裂多发生在大型背斜的陡翼，断裂的发育受褶皱的控制明显，走向与褶皱轴向大致平行，长度都不超过其所在褶皱的长度。隧道位于来凤向斜的西北翼，地层属于单斜构造，岩层产状多在N35°~ 50°E/25°~50°S之间,产状较为稳定,其褶皱不发育。隧道经过区域发育三断层红花岭压性断层F5、黑洞圹压性断层F6及黑洞圹压性断层支断裂F6-1断层较为发育。节理隧道经过的志留系地层由于其岩质较软节理裂隙发育且多数节理属于风化节理受红花岭压性断裂F5的影响该地层构造节理也较为发育。
2.2不良地质
据调查资料测区不良地质主要为岩溶。隧址区地表主要分布着以下几种岩溶形态溶蚀裂隙、溶槽沟、落水洞、洼地、溶洞。其他岩溶个体形态不发育。隧址里程DK74+790~DK76+229（1439m）为可溶岩段落，地表可溶岩大面积出露，岩溶峰林与岩溶洼地相间，岩体表面溶蚀现象严重，溶槽、溶沟随处可见，SKZ-12钻孔揭示，高程629.32m~631.62m处发育一较大溶洞，直径2.3m，无充填，D14SZ-19钻孔揭示，高程580.22m~564.22m处发育大型溶洞，洞高16m，粉质黏土半充填。因此该区域岩溶属于裸露型岩溶发育强度属于强烈发育。
2.3综合超前地质预报体系预测结果
（1）TSP 探测仪器预报
采用TSP203PLUS探测仪器对掌子面前方的地质情况进行了探测，炮眼布置在面向掌子面左侧壁。探测结束后，利用 TSPwin 软件对采集的 TSP 数据进行处理，获得 P 波反射界面及岩石物性参数等一系列成果[4]。P 波深度偏移见图5，探测段岩体物性图如图6所示。
图6 TSP203系统前方物性及异常特征2D图
分析得其中里程DK75+750 ～ DK75 +698，长度52 m，该段围岩反射界面较多，纵、横波速度，纵、横波速度变化较大，泊松比整体升高，动态杨氏模量值整体降低。推断该段围岩溶蚀裂隙发育，岩体发育，岩体较破碎，局部破碎，围岩强度较前段变差。进一步采用地质雷达辅以超前水平钻进行探测。
（2）地质雷达预报
采用美国地质雷达对掌子面前方的地质情况进行了探测，选用 100 MHz 屏蔽天线，应用点测法进行探测[5]。在掌子面下部、中部各布置一条垂直于隧道轴线走向的水平雷达测线，测线布置如图7所示。
根据雷达图像图8分析[2]，DK75+761～DK75+731 段掌子面整体溶蚀裂隙发育，局部泥质充填，岩体破碎，建议按设计要求施做超前水平钻探及加深炮孔，必要时加强支护措施，防止坍塌、掉块。
（3）钻探的预报结果
根据已开挖揭示地质情况及基底地质雷达资料分析，DK75+805～DK75+785 段基底可能为岩溶发育区，为探明其发育情况，增加20个竖向钻孔，具体实施位置如图9。
2.4现场开挖情况对比验证
盛家堡隧道在相应里程开挖后发现节理裂隙发育，岩体破碎较严重。开挖和钻探结果很好地验证了此次TSP超前预报和探地雷达相结合探测手段预测隧道不良地质缺陷体的准确性。
3结论
本文依托盛家堡隧道，将“综合地质预报系统”赋予工程实际应用，通过地质分析研究了盛家堡隧道的岩溶发育特征，利用 TSP 超前预报系统和地质雷达等物探手段对盛家堡隧道的不良地质缺陷体进行了探测，结合掌子面揭露情况和超前钻探结果，推断出探测段围岩的地质状况，很好地验证了此次 TSP 超前预报和探地雷达相结合探测不良地质缺陷体的准确性，可供类似工程参考借鉴。应用结果表明，“综合地质预系统”预报模式准确率较高，能保障施工安全，提高经济效益，可供类似工程参考。
参考文献
[1]许振浩，李术才，张庆松，等.TSP 超前地质预报地震波反射特性研究［J］.地下空间与工程学报，2008， 4( 4) :640-644．
[2]王梦恕. 对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J]. 铁道勘查, 2004(1): 7-9, 18.
[3]刘斌，李术才，李树忱，等. 复信号分析技术在地质雷达预报岩溶裂隙水中的应用研究[J]．岩土力学，2009，30( 7) : 2191-2196
[4]何刚. TSP-203系统在隧道超前地质预报中的应用研究[D].中南大学，2005
[5]李大心. 探地雷达方法与应用[M]. 北京:地质出版社, 1994.
论文作者:孙鑫广1
论文发表刊物:《基层建设》2017年第9期
论文发表时间:2017/7/24
标签：地质论文; 超前论文; 隧道论文; 岩溶论文; 节理论文; 裂隙论文; 断层论文; 《基层建设》2017年第9期论文;