超前地质预报在隧道工程施工中的应用

黄

侃

南京

210017）

（江苏省交通科学研究院股份有限公司岩土工程设计研究所，江苏

摘

要：首先对公路隧道超前地质预报的主要方法进行了对比，提出使用TGP12在隧道超前地质预报上的优点，

并介绍了TGP12探测方法的设备及原理，然后以长冲隧道为工程案例，介绍了TGP12技术中的测点布设及数据采集方法，针对地质较为复杂路段，TGP12超前地质预报采取每150m左右预报一次的频率，文章选取长冲隧道出口K8+510~K8+370段进行分析，并验证了TGP12超前地质预报结论和实际情况的吻合性。关键词：隧道工程；超前地质预报；公路隧道；TGP12技术中图分类号：U455

文献标识码：B

在综合地质超前预报中的各种物探方法中：超前导坑法成本太高、在构造复杂地区准确度不高；正洞地质素描法对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报，水平超前探孔法在复杂地质条件下预报效果较差、很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理、钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来；红外探测法只能确定有无水，至于水量大小、水体宽度、具体的位置没有定量的解释；电磁波法干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判；TSP203法价格太昂贵。

TGP12作业快，测距长，干扰相对少，可以与多种预测法结合应用，解释难度小，适于做长距离预测。该仪器已成功地应用于国内众多隧道地质预报中。通过大量事实证明以地质法为基础，以TGP12法为主要手段，配合其他综合物探技术，在工程中的应用取得了较好的效果。本文以长冲隧道为背景，研究TGP12在隧道超前地质预报中的应用研究。

射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。1.2

检测仪器简介

采用TSP技术进行预报中，使用的仪器为TGP12隧道地质超前预报系统，TGP12（TunnelgeologyPrediction)由北京市水电物探研究所研制，已经经过国内著名隧道专家组评审，鉴定为具有国际先进技术水平。

1.3探测方法

采用黄油耦合，定向安置孔中三分量检波器；记录接受器孔、距离接收器最近的炮孔和隧道掌子面的公路里程桩号，以及各炮孔间的距离，以上数据填写在《TGP现场数据记录表》中；爆破孔药量一般控制在50～70g，采用计时线炸断的触发方式，在孔中灌满水的条件下激发，按序依次起爆和进行数据采集。工作中对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进行地质描述，以利于资料解释。

1TGP12探测的方法设备及原理

1.1检测原理

TSP（TunnelSeismicPrediction）法是利用地震波反射回波方法测量的原理。地震波震源采用小药量炸药激发产生，炸药激发在隧道边墙的风钻孔中，通常24个炮孔布置成一条直线。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一个。地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，反

2工程概况及结构设计参数

2.1工程概况

长冲隧道位于S103线渝巴路南岸区茶园至涪陵区李渡段二级公路改建工程，该隧道为双向行驶隧道，隧道长2000m（K6+0～K8+0）。隧道设计线进口段处于R-631.460m的圆曲线和缓和曲线上（K6+0～+953.551），长313.551m，洞身段位于直线上。出口位于R＝600的圆曲线和缓和曲线上(K8+269.511～K8+0)长

作者简介：黄侃(1982-)，男，江苏姜堰人,助理工程师，从事隧道、岩土工程监测与试验检测。

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桥隧工程

370.4m。隧道设计纵坡为+0.85%的单向坡。2.2隧道结构设计参数

（1）洞口段

长冲隧道洞口采用加强衬砌，喷、锚、网和工字钢架作为施工临时支护，Ⅴ级围岩施工辅助措施为超前小导管以确保洞口段稳固安全。洞口浅埋加强段各级围岩隧道衬砌支护参数见下表1。

表1洞口浅埋加强段支护参数表

60m以后进行。为了尽量减少对隧道施工的干扰，预先在隧道洞壁钻孔，孔深为2m。接收孔孔径为50mm，激发孔孔径为40～50mm。激发孔布置等间距排列，孔间距离一般1.5～2.0m，视隧道围岩而定，围岩速度高则孔距选择大一些，围岩速度低，孔距选择小些。接收孔与最近激发孔的距离一般为20m，该距离与预报距离有关，该距离长则预报距离长，该距离短则预报距离短。

图1钻孔布置平面示意图

（1）接收系统

TGP12隧道地质超前预报仪的接收系统，可以根据需要选择道数，接收系统的布置应通过试验确定。

接收孔的布置方式见下图2。

（2）洞身段

洞身段采用复合式衬砌，初期支护以喷、锚、网为主，二次衬砌为模筑混凝土。Ⅳ、Ⅴ级衬砌设仰拱。洞身深埋段各级围岩隧道衬砌支护参数见表2。

3测点布设及数据采集

3.1测点布设

在隧道左壁（面向大里程桩号方向）的同一水平线上从里向外布置24个炮孔，炮孔间距2.0m，炮孔高度1.1m；与接收孔的最近距离为46m。钻孔布置图如图1。3.2数据采集

隧道地质超前预报工作，一般在隧道开挖进尺50~

图2钻孔布置平面示意图

一般条件下采用接收1和接收2两个检波器接收的方式，检波器为X、Y、Z三个分量，三个分量有利于P波）、横波（Sh波）和横波（Sv波）的接收，纵波（

有利于预报工作中的多参数利用。

表2洞身深埋段复合式衬砌支护参数表

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（2）激发系统

激发采用炸药激震，炸药由电雷管引爆（不用火雷管等其他雷管，避免延迟对预报造成影响）。

（3）采集系统

采集系统包括接收、激发、以及仪器站工作的完整过程。在接收与激发工作准备完毕后，在仪器上输入采集参数。由于TGP12隧道地质超前预报仪的放大器为瞬时浮点放大器，仪器采集时不需要设计旋钮调节。采样率决定信号的分辨程度，采样率小对信号的分辨能力强。采样点数决定信号的采集长度，仪器设计采样点数的调节为滚动方式，有：1024点、2048点、4096点和8192点四档，现场采集操作利用仪器界面上的水平箭头来实现选择。

4TGP12超前地质预报系统在长冲隧道中的应用

TGP12处理系统中具有查对形成界面反射波或绕射波波组的功能，根据反射波组的连续性、衰减特征和极性，有利于去伪存真，做出取舍判断，达到正确预报的目的。

长冲隧道地质较为复杂，超前预报采取每150m预报一次，这里选取长冲出口K8+510~+370段应用实例做简单介绍。4.1成果图表

（1）检测记录与检测段岩体参数表如表3。

表3检验段岩体参数表

（2）纵波p、横波s分离原始波形图4.2测试结果分析

采集的TSP数据，通过TGPwin软件进行处理、获得P波、SH波、SV波的时间剖面、相关偏移归位剖面

等成果。在成果分析中：以P波、SH波、SV波的原始记录分析测段岩体的地质条件；以相关偏移归位剖面预报前方岩体地质条件，预报分析推断以P波剖面资料为主，结合横波资料综合解释。解释中遵循以下准则：

图3纵波p、横波S分离原始波形图

图4纵波p、横波s回波分离分析图

(1)正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。

(2)若S波反射较P波强，则表明岩层含水。(3)左右洞壁对比，以激发和接收在同一侧的资料为主的原则。

(4)纵横波资料对比，以纵波资料为主的原则。综合分析隧道左右壁原始记录，分离后的纵横波P、SH、SV）记录，以及P波、SH波、SV波的相关偏移归位剖面图得知：检测段围岩在K8+510～+618段，

纵波（Vp）速度为3500m/s；横波（Vs）速度为10m/s；动泊松比为0.359；岩体动弹性模量为16082MPa；岩体动剪性模量为5917MPa；岩体密度取22kN/m3。预报掌子面前方岩体在如下里程：K8+496～+436，裂隙发育带

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（桥隧工程

表4预报结果对比表

或构造破碎带（其中K8+496～+480段横波反射较强，推断该段具有含水夹泥的可能性）；在预报里程段内的其他段岩体与检测段岩体相似，且岩体相对较完整。

5结语

(1)施工在K8+496～+436段要注意洞顶和洞壁局部坍塌、掉块、和构造裂隙水，加强初期支护，必要时采取超前支护，并相应做好防渗水和二衬，其中K8+496～+480段横波反射较强，推断该段具有含水夹泥的可能性，注意施工安全。

(2)设计文件中预报段为Ⅴ级，泥岩：深灰色，泥质结构，中-厚层状构造，矿物成分以粘土矿物为主，下部为黄色、黄绿色、紫红色粉-中粒砂岩。围岩自稳能力较差，在无支护条件下可能出现小-中垮塌，建议初期支护必须紧跟开挖及时施作，尽早施作仰拱以便形成封闭环，施工中若出现围岩情况与设计不符时，应及时调整围岩分级和支护参数，避免发生工程事故。

(3)由于物探方法的间接性，本次尚属对该隧道的

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第一次检测，尚缺乏实测资料与实际地质条件的对比实践，因此在隧道施工期间针对地质超前预报结论，做好施工地质工作，记录隧道围岩和掌子面岩体的地质变化，进行拍照，以地质方法为基础，不可盲目冒进。

TGP12地质超前预报能较为有效地预报出掌子面前方约为150m左右的地质情况，但由于各种条件的，应借助一些外部工具加上一定的地质知识和实地的地质资料来分析、预报，方能达到更好的效果。

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