李治洪，宋健健

（陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100）

0 前言

對于隧洞建設(shè)來說，在開挖前了解隧洞地質(zhì)情況特別重要[1]。通過超前地質(zhì)預(yù)報，能提早發(fā)現(xiàn)隧洞內(nèi)存在的異常情況，預(yù)報隧洞掌子面前方不良地質(zhì)的具體位置、圍巖產(chǎn)狀以及圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為隧洞選擇合理的開挖斷面方式、支護設(shè)計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供相應(yīng)的依據(jù)，為防止隧洞突水、突泥、有毒有害氣體等可能形成的安全事故提供及時有效的信息。超前地質(zhì)預(yù)報對于安全施工、提高生產(chǎn)效率、縮短工程周期、節(jié)約項目投資等具有重要意義[2]。秦嶺隧洞黃三段II 標(biāo)主隧洞全長8552 m，隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜、裂隙水發(fā)育、斷層帶較多、圍巖變化頻繁，開展超前地質(zhì)預(yù)報工作，及時有效地預(yù)報能應(yīng)對可能出現(xiàn)的各種不良地質(zhì)情況，對保證施工安全、質(zhì)量和進度尤為重要。本文以秦嶺隧洞黃三段II標(biāo)中超前地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用為例，簡要介紹各種超前預(yù)報方法的應(yīng)用。

1 各地質(zhì)超前預(yù)報方法原理

1.1 TSP 超前預(yù)報技術(shù)

TSP 超前預(yù)報是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生反射波的特性來對隧洞掌子面前方及周圍區(qū)域的地質(zhì)情況進行預(yù)報。該法可以檢測出掌子面前方及周圍區(qū)域內(nèi)巖性的變化，如不規(guī)則巖體、不連續(xù)斷面、斷層及破碎帶等[3]。秦嶺隧洞黃三段Ⅱ標(biāo)隧洞開挖方法為鉆爆法，見圖1。TSP 預(yù)報方法不必靠近掌子面。數(shù)據(jù)采集時在隧洞一側(cè)邊墻鉆24 個直徑為40 mm，深度1.5 m，垂直于隧道軸向，向下傾角為10°～20°的炮孔，炮孔與炮孔之間距離為1.5 m，離地面高1.0 m，而在兩側(cè)邊墻鉆2 個直徑50 mm，垂直隧道軸向，上傾5°～10°的檢波器孔，離地面高1.0 m，將檢波器置入套管中，按順序依次將炮孔中炸藥卷引爆，從掌子面前方任一波阻抗不相同的界面反射的信號及直達波信號后被2 個檢波器接收。然后利用TSPwin 軟件處理可處理獲得縱（P）波和橫（S）波場的分布規(guī)律，以此得出掌子面前方及周圍圍巖情況及裂隙水發(fā)育程度，采用TSP 法對掌子面前方100 m 左右范圍內(nèi)較大的構(gòu)造及圍巖破碎帶進行初步的預(yù)報。

圖1 TSP 現(xiàn)場布置示意圖

1.2 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法是利用高頻窄脈沖電磁波探測介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法，其工作原理是通過發(fā)射天線向正前方發(fā)射數(shù)十兆至數(shù)千兆赫茲的電磁波信號，在電磁波向前方傳播的過程中，當(dāng)有介電參數(shù)差異的目標(biāo)體時，電磁波發(fā)生反射，由接收天線接收并記錄，在對探地雷達數(shù)據(jù)處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達波形、電磁場強度以及振幅、頻譜特征和雙程走時等來推測掌子面前方的地質(zhì)情況[4]。當(dāng)接近斷層時，地質(zhì)雷達法對掌子面前方15 m 區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況進行準(zhǔn)確預(yù)報。

圖2 探地雷達工作原理

1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法，簡稱TEM，它的原理：在輸送回線上提供一個電流脈沖方波，方波后沿下降的瞬間，磁場出現(xiàn)在回線法線方向，在一次磁場的激發(fā)下，地質(zhì)體產(chǎn)生渦流，地質(zhì)體的導(dǎo)電程度決定了它的大小，渦流在一次場消失以后，并不會馬上消失，它將有一個過渡（衰減）的過程[5]。在此過程中，二次磁場出現(xiàn)在掌子面?zhèn)鞑シ较蛏?，產(chǎn)生衰弱，二次磁場由接收回線接收，由二次磁場的變化可以體現(xiàn)地質(zhì)體的電性分布情況。按不同延時時間測量二次感生電動勢V（t）, 就能得到隨時間的衰減的二次磁場特性曲線。若不存在良導(dǎo)體，通過觀測將會有一個快速衰減的過渡過程；若存在良導(dǎo)體，切斷電源瞬間，導(dǎo)體內(nèi)部將出現(xiàn)渦流以保持一次場的斷開，所觀測到的過渡過程衰變速率將減緩，以此發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體。

經(jīng)過處理后的瞬變電磁資料，觀察視電阻率剖面電性特征，并結(jié)合掌子面附近圍巖的狀況，來推測掌子面前方的地質(zhì)情況。富水性的預(yù)報是隧洞超前的重難點，通過中等富水性洞段時，除地震反射波法和地質(zhì)雷達外，再增加瞬變電磁法進行綜合預(yù)報，瞬變電磁法預(yù)報的距離正常為50 m～80 m。

圖3 良導(dǎo)體瞬變電磁感應(yīng)原理圖

2 工程應(yīng)用實例

以秦嶺隧洞黃三段II 標(biāo)3 號支洞控制區(qū)主洞下游K11+120.0-K11+230.0 洞段的TSP 法、3 號支洞控制區(qū)主洞上游K10+199.7-K10+184.7 洞段的地質(zhì)雷達法和3 號支洞控制區(qū)主洞下游K10+363.3-K10+413.3 瞬變電磁法為例，介紹綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法在秦嶺隧洞中的應(yīng)用。

2.1 TSP 法

（1）測線布置

預(yù)報檢測時的掌子面樁號為K11+120.0，在樁號為K11+054.7 處的左右兩側(cè)邊墻風(fēng)鉆孔中安設(shè)預(yù)報接收檢波器，接收孔距離掌子面65 m，在隧道一側(cè)邊墻的同一水平線上從里向外布設(shè)24 個炮孔，各個炮孔的間距為1.5 m，炮孔高度1.0 m，炮孔深度1.5 m；與接收孔的最近距離為19.3 m。

（2）測試結(jié)果初步分析

利用TSPwin 軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理得到深度偏移剖面和反射層提取圖，見圖4、圖5。

圖4 TSP 深度偏移剖面圖

圖5 TSP 反射層提取圖

由圖4、圖5 可以看出樁號K11+136.5～K11+230.0 段反射能量較強，正負反射相間，推測巖體較破碎，完整性較差；K11+136.5～K11+146.4、K11+155.8～K11+167.2 段 反 射 能 量 較強，以負反射為主，推測發(fā)育裂隙水。

2.2 地質(zhì)雷達法

（1）測線布置

預(yù)報檢測時的掌子面樁號為K10+199.7，在掌子面上均勻布置四條測線，見圖6。

圖6 雷達測線布置圖

（2）測試結(jié)果初步分析

通過對原始數(shù)據(jù)進行處理分析，得到4 條測線的剖面圖，見圖7、圖8、圖9、圖10。

圖7 1 測線剖面圖

圖8 2 測線剖面圖

圖9 測線剖面圖

圖10 測線剖面圖

根據(jù)地質(zhì)雷達法探測結(jié)果及地質(zhì)資料，得出以下結(jié)論：

1）1 測線：局部有振幅較強的反射波，該段與目前掌子面情況相近。

2）2 測線：樁號K10+195.7～K10+193.0 范圍內(nèi)出現(xiàn)反射弧，且極性反轉(zhuǎn)，推測圍巖在此處有變化，樁號K10+190.7～K10+184.7 中部出現(xiàn)振幅較大的反射組，同向軸連續(xù)，推斷該段片理裂隙發(fā)育。

3）3 測線：樁號K10+189.7～K10+185.2 中部出現(xiàn)振幅較大的反射組，同向軸連續(xù)，推測該段片理裂隙發(fā)育。

4）4 測線：局部有振幅較強的反射波，該段與目前掌子面情況相近。

2.3 瞬變電磁法

（1）測線布置

預(yù)報檢測時掌子面樁號為K10+363.3，根據(jù)現(xiàn)場條件，布置順層方向和斜向下45°方向扇形測線，見圖11。

圖11 扇形測線示意圖

（2）測試結(jié)果初步分析

圖12 順層扇形測線

圖13 斜向下45°扇形測線

通過對原始資料進行處理分析，得到扇形剖面成果圖，見圖12、圖13。結(jié)合瞬變電磁法探測結(jié)果及地質(zhì)資料綜合分析，可以得出以下結(jié)論：

1）3 號洞下游水平順層方向，掌子面前方偏左30°方位10 m～20 m 存在相抵低阻異常，掌子面前方偏右30°方位15 m～35 m 存在相對低阻異常，推斷以上區(qū)域局部巖體弱含水或巖性變化。

2）3 號洞下游斜向下45°方向，掌子面前方偏左45°方位10 m～20 m 存在相對低阻異常，掌子面前方偏右30°方位15 m～35 m 存在相對低阻異常，推斷以上區(qū)域局部巖體弱含水或巖性變化。

3 超前地質(zhì)預(yù)報注意事項

（1）TSP 數(shù)據(jù)采集鉆孔前，必須用測量儀器準(zhǔn)確測定檢波器孔和炮孔的具體位置，并用相應(yīng)標(biāo)示作標(biāo)記，炮點由外至掌子面標(biāo)記序號；按設(shè)計要求（間距、孔深、傾角等）鉆設(shè)炮孔；若測定的位置無法鉆孔，可在以測點為圓心，半徑20 cm 的范圍內(nèi)重新鉆孔；注意選擇檢波器孔位置時，不能選在破碎圍巖中，檢波器孔身必須要直，孔內(nèi)巖粉和泥漿要用水沖出孔外；保護鉆好的孔，成孔條件好的，孔內(nèi)巖屑和泥漿要用水沖出孔外，以免藥卷放置位置不合適，成孔條件差的，完鉆后要將柱狀物（錨桿等）留在孔內(nèi)，防止圍巖塌孔，48 h 內(nèi)打完炮孔；必須停止周圍300 m 范圍內(nèi)一切振動干擾；炮孔一側(cè)應(yīng)盡量避開避車洞等空洞。

（2）瞬變電磁法工作前必須清除掌子面附近及掌子面上的“鐵”質(zhì)干擾及各類電線（挪到距掌子面約30 m 以外）；地質(zhì)雷達法工作時必須要清除掌子面鐵質(zhì)物質(zhì)以防干擾；由于存在電磁感應(yīng)，工作時嚴(yán)禁安放炸藥；清空掌子面2.5 m 范圍內(nèi)的渣體或雜物。

4 結(jié)語

本文僅對秦嶺隧洞黃三段所用的3 種地質(zhì)預(yù)報方法進行了總結(jié)，每種方法都具有不同的特點，其中：（1）TSP 法預(yù)報距離長，對構(gòu)造比較敏感；（2）地質(zhì)雷達法預(yù)報距離較短，探測精度高，適用于在復(fù)雜洞段進行精細探測；（3）瞬變電磁法對低阻異常敏感，現(xiàn)場操作過程中方向性好。因此在實際施工過程中對預(yù)報方法的選取要結(jié)合實際圍巖地質(zhì)條件、地下水發(fā)育等情況來綜合確定。