向莆铁路岩溶隧道超前地质预报技术

周大勇

(中铁十四局 向莆铁路FJ-3A指挥部，福建 尤溪 365114)

向莆铁路棋盘石隧道位于福建省尤溪县境内，全长10 808 m，最大埋深770 m，为双线铁路隧道。隧道施工采用3台阶矿山法实施，共设3个横洞，计划工期42个月。

棋盘石隧道穿越多个地质单元，包括大理岩、石英砂岩、绿泥片岩等十几种岩性，断层较多，地下水发育，水量大。初步查明较大规模断层有16条，其中含有8条压扭性断层，断层影响带为中等强富水，地质资料揭露多处有溶洞，施工过程中存在溶洞、突泥突水的风险，给反坡施工排水带来了较大困难。

能否准确预报施工期间隧洞内可能产生涌水、塌方、流砂等工程地质问题的具体位置、范围及其危害，对于减少或避免处理塌方、突泥突水等地质灾害，确保施工人员和设备安全，减少工程投资，保证工程顺利进行具有重要意义。

1 超前地质预报方法比较与选择

目前常用的隧道超前地质预报的方法很多[1]，主要包括:

1)地质分析法，包括断层参数预测法、地质体投射法、掌子面编录预测法等;

2)长距离地质预报物探方法，包括地震波反射法、水平声波反射法(HSP)、陆地声纳法等;

3)短距离地质预报物探方法，包括地质雷达探测法、瞬变电磁法(TEM)、红外探水法等;

4)超前钻探法，包括短钻孔、长钻孔。

在超前地质预报的各种方法中，地质分析法须在预报前对隧道周围地质进行准确分析，才能保证预报的精度，但对于地质知识较差的预报人员来说，容易对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面产生漏报;水平超前探孔法预报周期较长，难以满足工期的要求;电磁波法在隧道施工过程中干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判;弹性波法探测既能满足常规的钻爆施工要求，又能满足TBM掘进机施工要求，应用较多。

根据棋盘石隧道的地质特点，在综合比选不同预报方法适用条件、优缺点后，最终选择了物探方法以TSP203为主，其他手段进行辅助，结合地质分析、超前钻孔等方法进行不良地质超前预报工作。

2 TSP203地质超前预报系统原理与设计

2.1 系统原理

TSP203隧道超前探测系统属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点(通常在隧道的左或右边墙，大约24个炮点)用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来(图1)，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过TSPwin软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等)和位置及规模。

2.2 TSP203超前预报系统组成

1)记录单元:12道，24位 A/D转换，采样间隔62.5 μs 和 125 μs，最大记录长度为1 808.5 ms，记录带宽8 000 Hz和4 000 Hz，动态范围120 dB。

2)接收器(检波器):三分量加速度地震检波器，灵敏度为1 000 mV/g±5%，频率范围为0.5～5 000 Hz，共振频率9 000 Hz，横向灵敏度>1%。

图1 TSP探测原理

3)TSPwin软件:数据采集和处理集于一体，高度智能化。

2.3 观测系统设计及数据采集

观测系统设计见表1，观测系统布置见图2。

表1 观测系统设计表

图2 观测系统示意图

洞内数据采集应遵循以下原则:

1)按规定布置震源和传感器钻孔，特别是孔距;

2)采用两个传感器，实施双臂探测;

3)两个接受导管必须安装牢固;

4)探测过程中，尽量减少噪声和漏炮;

5)熟练掌握观测系统的布置方法;

6)炮孔布置应选择岩性相同处;

7)炸药最好选用高爆速防水炸药;

8)起爆器必须充分充电;

9)爆破时孔内应充满水，以减少声波干扰;

10)炸药量选择合理，既不能使振幅失真，又不能过小。

2.4 数据处理程序、解译与评价原则

处理流程包括11个主要步骤，即数据设置→带通滤波→波初至拾取→起跳点信号处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P、S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。

对处理成果的解释与评价，主要根据以下基本原则进行:

1)反射振幅越强，反射系数和波阻抗的差别越大;

2)正反射振幅(红色)表明正的反射系数，表明刚性岩层;负反射振幅(兰色)指向软弱岩层;

3)若S波反射比P波强，则表明岩层饱含水分;

4)Vp/Vs较大的增加或泊松比δ突然增大，常常因流体的存在而引起。

3 在本工程中的应用

根据设计院提供的地质资料，结合地表补充调查、3#横洞洞内开挖工作面地质素描和全洞身地质素描资料进行综合地质分析，表明该洞存在溶洞和暗河的可能性非常大。建议加大预报频率，采用 TSP203、地质雷达和超前水平钻孔的联合预报方法对掌子面跟踪预报，严格要求TSP203预报距离不超过100 m，发现异常情况采用地质雷达和超前水平钻孔验证。

截止2009年8月10日，棋盘石隧道3#横洞开挖1 149 m，从H3DK1+148进入大理岩段，大理岩段开挖进尺为241 m。共进行了3段次超前地质预报，发现两处溶洞和一个较大断层[2]，见图3。其中 H3DK1+129处为一小溶洞，采用地质雷达探测表明较大溶腔在线路的左侧[3]，施工过程中对隧洞左侧加强了支护，施工顺利通过，开挖揭露3条溶洞裂隙;在H3DK0+891处TSP203预报显示为一较大溶洞群。继而采用地质雷达和超前水平钻孔探测表明溶洞内水压不大，施工队擅自打开，结果造成隧洞涌水，涌水量达30多万方，最后研究确定采用从隧洞右侧绕行的方式通过。由于预报及时准确，采取支护措施得当，施工中没有因漏报不良地质发生地质灾害，目前工程开挖顺利。表明以TSP203为主的超前地质预报工作在本工程建设中起了重要作用。

4 技术经验总结

4.1 加强地质调查分析

地质调查分析是隧道超前预报的基础，分析目的主要在于应用超前地质预报的地质理论，初步判断隧址主要构造方位、力学性质和构造多期活动特征及其不同方位构造对隧道围岩稳定性的影响程度。同时判定主要地层类型(如煤系地层、灰岩、白云岩等可溶岩地层等)特征及其隧道围岩稳定性的影响程度，主要岩浆岩的类型(如侵入岩、喷出岩)特征、空间分布特征及其隧道围岩稳定性的影响程度，现今地应力特征及其与区域地壳运动的关系等。

4.2 提高TSP203数据采集技术

1)正确判断和选取主要探测壁。主要探测壁即炮孔布置壁，正确选取主要探测壁对 TSP203超前预报的准确度十分重要，其直接影响预报质量，甚至造成预报的失误。

图3 地质灾害位置示意图

2)信号接收孔与第一个炮孔之间距离应不小于15 m且不大于20 m。TSP203采集信号质量的好坏，决定于地震波的激发和接收条件，信号接收孔位置对信号质量影响非常大，与第一个炮孔的距离过大或过小都会影响数据采集质量。

3)减小面波对地震反射波的干扰。在隧道进行地震反射波预报中面波是干扰波。面波在洞壁传播与在地表传播是一样的，洞壁表层有利于面波的传播，因此无论是在洞壁激发，还是在洞壁接收，面波的干扰都是较大的。面波的压制，主要采用爆破孔内注水耦合，因此，激震源起爆时注水好坏对信号质量有很大的影响。

4)降低管道波的干扰。接收孔钻孔深度一般不小于1.9 m，采用水泥浆耦合时要保证水泥浆的稠度，必要时对接收管露出部分进行防护。

4.3 提高不良地质体解译技术

对不良地质体的解译，采用深度偏移影像图(尤其是P波的深度偏移图)与岩体动曲线对照解译，并结合地质条件判断不良地质体的规模性质及空间位置，总结出对不良地质体的判断基本原则。

1)要充分利用隧址的地质资料和掌子面信息。

2)综合分析P、SH、SV分量的偏移影像图，根据相似性取舍反射面。

3)岩性分界面的划分应以激发、接收在同一侧的纵波(P波)为主，激发、接收不在同一侧的为辅;

4)综合分析各分量相似反射面的属性，正反射界面后岩体趋好，负反射界面后岩体趋差;

5)有无水的判释应综合分析各分量的同一反射面，纵波(P波)偏移影像弱，横波(SH波)偏移影像强，可判有水。反之可判无水。

6)岩溶隧道采用TSP203进行预报时预报距离不应大于100 m。

5 结语

综合超前地质预报技术在本工程中取得了较为成功的应用。该系统具有适用范围广、预报距离长、对隧道施工干扰小、提交资料及时、预报准确、精度高等优点。TSP203是地球物理勘探的一个手段，有它的应用条件和适用范围(如顺洞线不良地质体的探测，该系统将受到限制)，目前我国还没有相应的国家和行业规范，因此要求预报人员要掌握一定的地质基本知识和理论，不断丰富和积累地质实践和解释经验，提高TSP解释水平，才能在隧道施工中发挥更大作用。

[1] 刘志刚，赵勇.隧道隧洞施工地质技术［M］.北京:中国铁道出版社，2001.

[2] 刘志刚，娄国充.向莆铁路棋盘石隧道 3#横洞 H3DK1+148-H3DK1+048 TSP203地质超前预报报告(棋第04号)［R］.中铁十四局向莆铁路指挥部，福建省尤溪县，2009.

[3] 刘志刚，娄国充.向莆铁路棋盘石隧道3#横洞 H3DK1+124地质雷达地质超前预报报告(棋第02号)［R］.中铁十四局向莆铁路指挥部，福建省尤溪县，2009.

[4] 郎玉光.隧道超前地质预报综合技术［J］.铁道建筑，2007(12):48-50.