综合超前地质预报在隧道工程裂隙水探测中的研究

综合超前地质预报在隧道工程裂隙水探测中的研究

董栋李磊

中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院西安710032

摘要：裂隙水是影响隧道修建速度和威胁工程施工安全最主要因素之一。本文通过在改建铁路南平至龙岩线扩能改造工程九鹏溪隧道施工实践，采用TRT层析扫描成像法、瞬变电磁法、地质雷达法及地质钻探法的相结合的方法对隧道地下水进行综合预报。该方法充分发挥了各种单一预报方法的技术优势，从立体到平面，全方位的预报掌子面前方地下水变化情况。通过与开挖后掌子面的地质编录进行对比，实践证明该方法在施工过程中取得了较好的效果，为施工进度安排、资源调配提供了可靠的地质资料，一定程度上避免了隧道坍塌、涌水、突泥等地质灾害的发生。

关键词：综合超前地质预报；隧道工程；裂隙水；TRT法；瞬变电磁法；地质雷达法

StudyofComprehensiveAdvanceGeologicalpredictionin

FissureGroundwaterDetectionofTunnelEngineering

DONGDONGLILEI

（Sinohydroengineeringbureau3companyLTD，Xian，710032）

Abstract：Groundwaterisoneofthemainfactorsaffectingtheconstructionspeedandsafetyofthetunnel.Inthispaper，throughtheconstructionpracticeofJiupengxitunnelinthereconstructionprojectofNanping-Longyanrailway，themethodofTRTtomography，transientelectromagneticmethod，groundpenetratingradarmethodandgeologicaldrillingmethodisusedtoforecastthetunnelgroundwater.Thismethodgivesfullplaytothetechnicaladvantagesofvarioussingleforecastingmethods，fromthethree-dimensionaltotheplane，thechangesofgroundwaterinfrontofthefaceareall-roundprediction.GeologicalloggingarecomparedwiththeafterExcavationofthefaceofthepalm。Itisshownthatmethodshasachievedgoodresultsintheconstructionprocess，whichprovidesreliablegeologicaldatafortheconstructionscheduleandresourceallocation，andavoidsthetunnelcollapse，Gushingwater，Mud-burstingandothergeologicaldisasterstoacertainextent.

Keyword：comprehensiveadvancedgeologicalprediction；tunnelingengineering；Fissuregroundwater；TRTmethod；transientelectromagneticmethod；groundpenetratingradarmethod

1引言

随着我国地下工程建设规模的不断扩大，深长隧道施工过程中可能遇到的突水、突泥等地质灾害给施工安全带来了重大隐患[1]。据1988年以来修建的铁路隧道统计，涌水量在1×104m3/d以上的有31座，因此而造成停工的时间约占施工总工期的30%。如京广线大瑶山隧道穿过9#断层时，突水量达3×104m3/d；成昆线沙木拉达隧道最大总涌水量达19550m3/d，最大突水量达36.11m3/min，曾造成停工达32d之久；京广线南岭隧道曾发生3次较大突泥共11738m3、最大突水量达11143m3/d，总涌水量达16885mm3/d；大秦线军都山隧道曾发生12次共3360m3的突水突泥，其中最大2次共2100m3的泥屑流灾害等；渝怀线圆梁山隧道施工中涌砂、涌水达数十次之多，造成重大伤亡，损失惨重[2,3]；在建的某铁路隧道由于大规模突水也造成了多名施工人员失踪的灾难性事故[4]。

在我国，隧道施工期地质超前预报研究始于20世纪50年代末[5]，但真正应用于隧道建设包括其它地下工程是在20世纪70年代初，以我国工程地质界老前辈谷德振教授等根据矿巷施工进度和掌子面地质性状作出的矿巷前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序，开始了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用。如在后期的大瑶山隧道、南岭隧道、军都山隧道都进行了隧道施工超前地质预报的研究和试验工作，并取得了一些成功的经验。大量的工程实践表明，单一的超前地质预报方法无法对隧道裂隙水进行准确的预报，往往造成突水、突泥、涌砂等灾害。因此，需要研究一种综合有效的方法，开展隧道裂隙水的超前地质预报，对确保隧道工程施工的顺利进行有重要的现实意义。

2隧道裂隙下水探测方法

国内外对隧道施工前方含水情况十分重视，已有许多探测岩溶和裂隙水的方法：包括地质调查法、超前钻探法、瞬变电磁法、TRT层析扫描成像法、地质雷达技术、红外探测法及高分辨直流电法等。

2.1地质调查法

地质调查法是在充分收集、分析、利用已有区域地质和工程地质资料的基础上，辅以地质补充调绘，从地质的角度分析研究工程的地质与水文地质条件，分析地下水发育的规律，宏观掌握区域地质条件，指导超前地质预报工作。

2.2超前钻探法

超前钻孔法是在开挖面上进行钻孔，以探明隧道开挖面前方的地质情况，按钻孔器具及距离的不同，又可分为超前地质钻孔法和加深炮孔探测法。该方法用钻探设备向开挖面前方钻探，从而直接揭示前方地层岩性、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩石的可钻性、岩体完整程度等。

2.3瞬变电磁法（TEM）

瞬变电磁法主要是针对隧道富水区域进行探测，水体一般表现低阻特征，基于此基本可以分辨地下水害体的相对位置。瞬变电磁仪对低阻含水体反映灵敏，受体积影响小，纵横向分辨率高且施工灵活轻便，工作效率高。

2.4TRT层析扫描成像法

TRT层析扫描成像法是通过岩体声学阻抗差异来判断隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）、位置、形状、大小。TRT预报时，当地震波遇到声学阻抗差异界面，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。

2.5地质雷达法

地质雷达探测是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射波形特性进行超前地质预报的一种物探方法。由于岩石和水电性差异较大，当电磁波遇到水时会形成强反射波，是查找地下水的有效工具，是目前预报掌子面前方水体的较好方法。

2.6红外探测法

地下岩体、水体每时每刻都在向外界发射红外波段的电磁波，形成红外辐射场，物体的红外辐射能量与其温度的四次方成正比，当探测前方存在不良地质情况（断层水、岩溶水、瓦斯）时，其与周围围岩的温度有一定的差异，红外探测仪就是依据红外辐射能量的差异来推断前方不良地质的情况[6]。

2.7高分辨直流电法

高分辨直流电发是以岩石的电性差异为基础，在全空间条件下建立电场，电流通过布置在隧道内的供电电极在围岩中建立起全空间稳定电场，通过研究电场或电磁场的分布规律预报开挖工作面前方储水、导水结构分布和发育情况的一种直流电法探测技术[7]。

由于隧道内可供观测的空间位置有限，观测方案受到限制，因而要准确的达到预报的要求难度很大。多年来国内外的工程地球物理工作者在不断地改进探测技术和分析方法，试图提高预报的可靠性和精度，虽然取得了一些成功，但在预报准确性和可靠性方面还有待进一步的提高。

三综合超前地质预报探水流程图

针对各种地质预报方法的特点，结合南平至龙岩铁路客用专线Ⅵ标段区域性的地质情况，制定隧道施工综合超前地质预报探水方法流程如图1所示。

图1综合超前地质预报探水流程图

首先熟悉已有地质勘察资料，找出其中的可能存在的裂隙水区域；其次，在隧道开挖过程中采用TRT6000型超前地质预报系统进行全程预报；对TRT6000预报结果中可能存在裂隙水的区域，采用瞬变电磁仪进行进一步确定；对两种方法都确定且重合的裂隙水区域，在临近隙水区域10~20米时，采用地质雷达进行更精确的短距离预报；再次，对雷达确定的隙水区采用超前钻探进行准确定位，并通过隧道地质编录结果对预报结果进行验证；最后对出现的偏差进行分析，总结经验。

4应用实例

4.1隧道概况

九鹏溪隧道位于漳平市，全长5662延米，自然坡度为25º~30º。九鹏溪隧道进口段，表层零星分布有第四系坡残积粉质粘土，褐黄色，硬塑，厚0~3m；下伏基岩为三迭系上统大坑组粉砂岩，褐黄色、紫红色、青灰色、全风化~弱风化，全风化呈土状，强风化呈碎块状，下为弱风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎。地下水不发育，围岩稳定性较差。

4.2地质特点

从设计地质剖面图看，该段围岩为侏罗系上统兜岭群下亚群凝灰岩，青灰色，弱风化，岩质较硬，岩体较完整~完整。基岩弹性波波速为3.8~4.2km/s。地下水以基岩裂隙水为主，不发育。

4.3里程DK178+607~DK178+456预报

4.3.1TRT6000超前地质预报结果

采用TRT6000超前地质预报系统对里程DK178+607~DK178+456进行了预报，采集的地震波数据，通过后处理软件进行处理，获得P波波速模型,通过对建立的波速模型的分析，得到波速Vp=3500m/s，波速模型见图2。

图2P波直达波波速

经处理后的侧视图、俯视图、立体图见图3~图5。通过对不同方向的TRT6000层析扫描成像分析可以得到，在里程DK178+607~DK178+571段出现明显的低阻抗区域（较多蓝色的区域），结合设计地质情况，推断该段裂隙水发育。

图5TRT6000层析扫描成像图-立体图

4.3.2瞬变电磁仪预报结果

针对TRT6000超前地质预报结果，对发现的裂隙水异常区域，采用瞬变电磁仪对道里程DK178+606~DK178+486前向的裂隙水情况进行探测。在掌子面共布置2个方向一条测线，每条测线都布置了12个点，点间距约为1米左右。图6为瞬变电磁仪在隧道正前方及正前方上10°探测方向的视电阻率等值线图，分析图6可得如下结果：

在隧道中心线右侧正前方35m以内，视电阻率值较低，且范围是上10°范围较广，水平前方范围小，符合地面半风化带裂隙水分布上宽下窄的普遍规律，因此1号区为相对低阻异常区，结合现场掌子面滴淋水情况，认为1号区是目前F1断层伴生裂隙带含水的延续。

图6掌子面正前方及上10°视电阻率等值线图

4.3.3超前地质钻探结果

根据超前水平钻探资料：DK178+604~DK178+592.5为断层影响带，带内岩性为砂岩，弱风化，岩体破碎，呈碎块镶嵌结构；DK178+592.5~DK178+582.5为断层带，岩体极破碎，断层走向与隧道轴向夹角约为50°；DK178+582.5~579为断层破碎影响带。岩性为石英砂岩，弱风化，岩体较破碎；钻孔有大股状水流出。

4.3掌子面地质编录

隧道掘进至DK178+593处，拱部右侧突然发生坍塌，坍塌物以大块石为主，并伴有不间断的小坍塌和掉块，随着坍塌范围的不断扩大，坍塌口、右拱腰、右边墙、掌子面右下脚出现大股状水流涌出，最大涌水量达5000m3/d，涌水量逐渐衰减至3000m3/d。

4.4里程DK179+040~178+890预报

4.4.1TRT6000超前地质预报结果

采用TRT6000超前地质预报系统对里程DK179+040~178+890进行了预报，地震波数据经处理后的侧视图、立体图见图7~图8。通过对不同方向的TRT6000层析扫描成像分析可以得到，在里程DK179+000~DK178+965段，推测该段为破碎带，岩体较破碎，节理裂隙较发育，局部呈碎石状结构，裂隙水丰富。

图8TRT6000层析扫描成像图-立体图

4.4.2地质雷达超前地质预报结果

针对TRT6000超前地质预报结果，对发现的裂隙水异常区域，采用地质雷达对里程DK178+998~DK178+978前向的裂隙水情况进行探测。在掌子面共布置2个方向一条测线，测线1从左至右，长3m；测线从右到左，长5m。通过对采样图形进行移动开始时间静校正，增益，去直流漂移和巴特沃斯带通一维滤波，抽取平均道及滑动平均等二维滤波处理，压制和剔除干扰波，突出有效波，处理后波形图如图9所示，分析图9可得如下结果：

在里程DK178+998~DK178+978，雷达电磁波信号反射较强，频率较低，振幅强，同相轴连续，初步判断在掌子面前方20米含水量较高。

图10超前地质钻探钻孔柱状图

图12加深炮孔出水出水图

4结论

（1）隧道工程裂隙水的问题一直威胁隧道施工安全，本文通过综合运用TRT层析扫描成像法、瞬变电磁法、地质雷达法及地质钻探法等各类超前地质预报方法对裂隙水进行预报，实践证明这种综合预报技术可以较好的对裂隙水进行的预报，有利于提高预报的准确率的发生，为施工提供可靠的地质资料，从而有效地减少涌水、突泥和塌方等灾害。

（2）TRT6000型超前地质预报系统作为一种长距离的预报手段，根据围岩级别的不同，可预报100~150米，预报结果以三维视图的形式体现，可以从多个角度观察缺陷，使得图像更加清晰，易于理解，从而更加轻松地进行缺陷诊断。瞬变电磁仪主要是针对隧道富水区域进行探测，探测距离在100米左右，可以与TRT6000型超前地质预报系统相互验证。地质雷达具有操作简单快速、结果直观的特点，虽预报距离较短但所提供的图像真实，可对长距离预报的异常区进一步进行确定。

（3）超前钻探和加深炮孔作为最有效的一种裂隙水预报方法，可以根据钻孔出水、流量变化情况对隧道工程裂隙水进行预报，虽有一孔之见，单不失为为一种好的方法。

（4）隧道超前地质预报探测裂隙水的方法有多种，要根据仪器的特点及现场的地质、工程条件选择适合现场施工条件的方法。目前国内外还没有任何一种单一的预报方法可以做到精确无误的预报，我们应当尽量降低施工现场及人为干扰，采集真实有效的数据，为后期做出真实、有效的判断提供基础。

参考文献：

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[2]王梦恕.大瑶山隧道—20世纪隧道修建新技术[M].广东科学技术出版社

[3]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）：7-10

[4]王亚军，黄平，李生才.2006年1～2月国内安全事故统计分析[J].安全与环境学报，2006，6（2）：138-141

[5]何发亮，李苍松隧道施工期地质超前预报技术的发展现代隧道技术，2001，38（3），43-44

[6]罗利锐，刘志刚，张志波.厦门翔安海底隧道超前地质预报，2012.08，中国铁道出版社；

[7]铁路隧道超前地质预报技术规程。