余廣勝

1 前言

向莆鐵路淘金山隧道位于福建省沙縣境內，設計為單洞雙線，隧道全長8093m，洞身最大埋深252.77m，最大開挖斷面145m2。該隧道為我指揮部地質條件較復雜的隧道，為了有效防范并降低施工風險，做到隧道開挖支護為動態(tài)施工，通過采用綜合超前地質預報手段，即地質素描法、超前水平鉆孔法、TSP203法，以獲取開挖面前方不良地質信息，便于及時調整隧道施工方案，指導隧道安全施工，避免發(fā)生地質災害。經現(xiàn)場施工應用，預報工作取得了較好效果，基本滿足了施工現(xiàn)場安全的要求。

2 工程地質概況

根據地質資料顯示，隧道通過地段為低山丘陵地貌，屬構造剝蝕山地。隧址區(qū)系武夷山脈的中部南側，區(qū)域構造上處于閩西南坳陷帶的東北部，近鄰閩西北隆起帶。區(qū)域性政和～大埔北東向斷裂在測區(qū)的南東部通過。本測區(qū)構造以北東向為主體，主要表現(xiàn)為走向NE～SW擠壓斷裂帶和裂隙帶。隧道區(qū)分布的地層較復雜，由老至新有元古代黃潭組、侏羅系下統(tǒng)梨山組、白堊系下統(tǒng)石帽山群黃坑組上下段、寨下組、均口組、次石英斑巖。此外零星分布有第四系坡殘積層和沖洪積層。隧道穿越的圍巖主要有：云母片巖、凝灰?guī)r、潛石英正長斑巖等。隧道區(qū)發(fā)現(xiàn)斷層9條，走向以北東向為主，個別走向北西，斷層規(guī)模一般8～20m，以壓性、壓扭性為主，個別張扭性，其中與隧道中線相交的有7條，斷層圍巖穩(wěn)定性差，斷層主要為碎裂巖、角礫巖、麋棱巖等，其中7個斷層（F2、F2-1、F3、F4、F6、F7、F9）均為強富水帶。

3 超前地質預報的原理及方法

3.1 地質素描

全隧道均采用全斷面地質素描。地質素描的主要內容包括地層巖性、構造發(fā)育情況（含斷層、貫穿性節(jié)理、夾層或巖脈）、地下水的出水狀態(tài)、圍巖的穩(wěn)定性等。

開挖后利用地質錘、放大鏡等工具對開挖面圍巖類別、巖性、圍巖風化變質情況、節(jié)理裂隙、產狀、斷層分布和形態(tài)、地下水等情況進行觀察和測定后，繪制地質素描圖，通過對洞內圍巖地質特征變化分析來推測開挖面前方較短距離的地質情況，據以指導施工。

全斷面地質素描應在每次開挖后立即進行，并及時繪制地質素描圖，填寫施工階段圍巖級別判定卡。

3.2 超前地質水平鉆孔

隧道Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地段除開挖后進行地質素描外，還結合采用TSP203及超前水平鉆孔（孔徑φ50，每斷面3孔，詳見圖1）探測前方地質情況。

超前地質水平鉆孔是利用水平鉆機在隧道掌子面進行水平地質鉆探，從而獲取地質信息的一種方式。通過水平鉆機在鉆進過程中的鉆速、沖洗液、巖屑和巖粉的變化來判斷開挖面前方較短距離內的地質情況，為提高其預報的準確度，與地質素描配套使用。

根據淘金山隧道實際地質情況，采用MKD-5S型全液壓水平鉆機。每30m一個循環(huán)，每循環(huán)搭接長度為5m。超前水平鉆成孔（布孔見圖1）口徑需滿足取樣、測試和鉆進工藝的要求。施工現(xiàn)場做好施工記錄，如進尺速度、深度、涌水點及涌水情況、巖性變化等。結合開挖面地質素描，按鉆孔參數初步判斷前方地質和涌水情況。

3.3 TSP203地質預報

TSP203地質預報，屬于多波多分量高分辨率地震波反射法，利用地震波的反射原理進行地質探測（圖2）。該設備和技術特別適用于高分辨率的折射微地震探測，以及對斷裂帶和巖體強度降低的軟弱破碎帶的探測，對于掌子面前方及其周圍的地質界面情況的位置，均用數據處理后的圖象來直觀反映。

地震波在設計的震源點（根據地層或構造的走向，通常在隧道的左或右邊墻，一般24個炮點，見圖3）用小量炸藥激發(fā)產生，激發(fā)地震波時，采用無爆炸延遲時的瞬發(fā)電雷管，防水乳化炸藥，藥量為67～100克。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震波信號將被高靈敏度的加速度地震傳感器接收并以數字形式記錄下來。

采集數據通過TSPwin軟件處理,便可了解隧道工作面前方地質體的性質（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等)和位置及規(guī)模。軟件處理流程包括11個主要步驟，即: 數據設置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。處理的最終成果包括P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數以及反射層在探測范圍內的2D和3D空間分布等。通過速度分析，可以將反射信號的傳播時間轉換為距離(深度)。數據處理結果,可以用與隧道軸的交角及隧道工作面的距離來確定反射層所對應的地質界面的空間位置，并根據反射波的組合特征及其動力學特征解釋地質體的性質。對剪切橫波的數據分析能籍以提高含水斷裂帶和地質構造走向的辨識率。

根據淘金山隧道超前地質預報具體要求，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地段（包括F1、F2、F2-1、 F3、F4、F6、F7、F9斷層破碎帶）均采用TSP203進行超前地質預報。全隧道共需TSP203探測10次，每次探測需在探測里程前方10m位置開始探測，具體探測位置為：DK340+077、DK340+235、DK340+710、DK341+090、DK341+360、DK342+980、DK343+095、DK343+330、DK344+380和DK345+170。

從預報的結果看，對不同巖體及斷層帶等界面、富水地段的預報效果較好，同時預報距離長，約為掌子面前方120m。同時，對施工干擾較少，每次爆破記錄時間僅需45min，整個量測循環(huán)可在2h內完成。

4 超前地質預報信息處理

為實現(xiàn)超前地質預報的目的，貫徹數據信息化指導隧道施工，防止隧道坍塌和突、涌水等災害，施工過程中要建立完善的信息化處理流程，以保證超前地質預報工作的正常運轉，提供準確可靠的信息反饋資料，保證隧道施工安全。

此外，應配備掌握地質判譯技術、經驗豐富的地質工程師組建地質預報組。依據綜合超前地質預報各階段的預報資料，及時進行前方地質分析，調整各類施工技術方案，保證順利通過不良地質體。

通過三種方法收集開挖面前方不同距離的地質信息，結合設計地質資料，進行綜合分析、判斷，并將處理結果反饋給施工，及時調整施工方法和支護參數，確保隧道施工安全。

5 結語

通過以上綜合超前地質預報手段的應用，對隧道地質異常的預報準確度達到了預期效果，使得隧道開挖已安全通過五個斷層帶，確保了隧道施工安全，這些成果在后續(xù)鉆探和開挖施工中將繼續(xù)得到驗證和應用。

有效綜合應用全斷面地質素描、超前水平地質鉆孔、TSP203超前地質預報技術，三種手段相互驗證，長短距離預報相結合，一定程度上為隧道施工實現(xiàn)安全、快速、高效施工提供了技術保障。

目前，超前地質預報技術仍然是基于一定的物探方法，由于物探方法的間接性及多解性，以及各種預報方法都有一定的局限性，加之預報人員的地質判譯經驗、對隧道所在地區(qū)地質背景的掌握程度等因素，均有可能影響預報的準確度。因此需要預報人員大量的工程實踐，并在施工中不斷積累經驗，總結規(guī)律。

參考文獻：

[1] 張景科,諶文武,雷啟云. TSP203地質超前預報原理及精度提高的途徑[J].西部探礦工程, 2005, (7):