动态超前地质预报技术在高风险隧道中的运用

李义圭 杨 乔 霍小云

(1.九江学院建筑工程与规划学院，江西九江 332005;2.佛山市佛清从高速公路有限公司，广东 佛山 528225)

1 概述

为了响应长江经济带和西部开发政策的进一步落实，重庆市委、市政府将公路建设作为重点来抓，并对重庆市内高速公路进行了规划，形成“三环、十射、三联线”的格局。重庆地处我国西南地区，以山岭为主，自古素有“山城”之称。山城需要修建更多隧道来缩短公路里程;往往隧道是公路建设的重点和难点工程。高风险隧道的地质情况与其长度、跨径、水文条件等因素有关。为了保证隧道安全施工，提高施工效率，控制工程成本;对高风险隧道进行超前地质预报是必不可少的工作。

2 常用超前地质预报方法的特点

隧道地质预报分为长距离预报(预报长度30 m～150 m)和中距离预报(预报长度6 m～30 m)以及短距离(预报长度小于6 m)预报，隧道地质预报应以地质分析为基础，其他方法根据施工情况进行动态校核，见表1。

表1 常用的超前地质预报方法的特点

2.1 地质分析法

地质分析法是隧道超前地质预报体系中最重要的技术。根据隧道勘察资料和隧道施工过程中掌握地质情况，并对隧道施工的岩性、地质构造、水文地质状况进行编排分组，采集必要的数据分析。推测未开挖段可能出现不良地质体的工程性质、产状、位置和规模。通常隧道工程所处的地质环境较复杂，需要经验丰富地质人员进行分析，提高预报水平。

2.2 地质雷达技术

地质雷达技术(Ground Probing Radar，简称GPR)是以地下物质的介电常数和电阻率的差异(如表2所示)为基础，对地下介质的几何形态、空间位置进行解释的电磁技术。通过天线发射以脉冲形式的电波，电波在地下不同介质界面的传播时，接收天线收集到反射电波频率是不一样的，地质雷达数据经处理、分析和解释，能摸清隧道掌子面前方一定范围的地质条件。此次礼让隧道采用瑞典RAMACCUⅢ型探地雷达进行探测，100 MHz屏蔽天线，每次可预报25 m～30 m;当遇到复杂情况应加大探测频率，可采用超前探孔进一步核实。

表2 常见物质的相对介电常数

2.3 超前钻探法

超前钻探法是利用专业水平钻机对掌子面前方进行钻探作业，每一次钻测探孔深度为25 m～30 m，搭接长度以5 m为宜。根据钻探信息进行详细记录并分析，可判断掌子面前方地层岩性、断层空洞分布情况、岩石的强度、岩石的破碎程度、涌水压力和涌水量等情况。但由于钻探费用高、施工复杂，先经地质超前雷达、TGP等物探方法初步确定掌子面前方存在不良地质段;再进行钻探验证，从而选择正确的开挖方法、注浆参数以及相应的技术参数，从而达到安全可靠、经济环保。通过超前预报等物探方法初步判断礼让隧道ZK14+628存在不良地质现象(涌水、软弱夹层)，当距不良地质段10 m时采用超前探孔;经开挖后与预报结果基本符合(见图1)。

2.4 微震技术

微震技术(TGP，Tunncl Geology Prediction)是一种每隔100 m左右探测一次，能无损、可靠、快捷的进行隧道地质预报的探测技术。它是利用隧道高频地震波遇到不良地质现象(例如断层破碎带、采空区或岩溶等)，阻抗差异性，通过专业软件分析数据并得出预报区域内的岩石力学参数，最后得出掌子面前方与隧道轴线相交及边界位面的二维、三维成果图。大致掌握隧道掌子面前方不良地质构造信息。实施桩号:礼让隧道左右线全长范围。

图1 礼让隧道ZK14+628超前探孔突水

2.5 瞬变电磁法

瞬变电磁法也称时间域电磁法，简称TEM。利用接地线源或不接地回线向地下发射一次电流脉冲磁场的过程，电流脉冲磁场在不同地质体中传播会产生二次感应涡流场，在一次电流脉冲场的过程中，脉冲电流涡流所产生二次涡流场不会立即消散，会构成一个随时间衰减的二次涡流场，通过监测二次涡流场，从而探测介质电阻率的技术。因此，我们可以根据接线圈观测二次场空间分布规律，以确定地下介质的空间形态。其探测深度可达100 m。具备探测深度大、施工方便、滋扰小、效果显著等优点，使得它在当前的水文地质勘探中成为首选技术。实施桩号:礼让隧道DK16+100～DK14+100(隧道左、右线)。

2.6 AGI高密度电法

AGI高密度电法是接地电极在地下建立电场的过程，监测不同导电地质体存在时地表电场的状况，进一步判定地下地质体赋存状态，使地质问题得到有效解决;可探明施工前方掌子面是否有岩溶和空腔存在。与EH4大地电磁技术探测成果相互验证。实施桩号:礼让隧道K16+100～K15+900，K14+950～K15+450。

3 工程概况

梁忠高速公路(梁平至忠县)是重庆市高速公路规划布局“三环十射三联线”中第2联线重要组成部分。其中礼让隧道是重庆梁忠高速公路LZ2合同段，全长5 518 m(取左右洞均值)，双向四车道，属高风险隧道，也是梁忠高速公路的难点工程。隧道穿越石膏岩、采空区、煤炭瓦斯层、岩溶等多种不良地质洞段，且地勘资料不详，存在突泥涌水、瓦斯爆炸等风险，被称为“地质灾害的博物馆”隧道。

3.1 地形地貌

礼让隧道区址为溶蚀的背斜向山构造，隧道进口段和出口段为单向自然斜坡地形。隧道穿越区域发育的溶蚀槽谷分为前槽、后槽，前槽地面高程在628 m～689.2 m，坡度:5°～10°;后槽是狭窄的深切槽谷，宽:10 m～30 m，地面高程在 574.1 m～590.3 m，槽谷两侧地形坡度较大，坡度在 30°～55°。

3.2 地质构造

礼让隧道穿越明月峡背斜，构造呈现北北东～北东向，隧道区无较大的区域性断裂构造。明月峡背斜位于华蓥山隆褶带南东边缘，其背斜轴线平直，向北30°、东延伸，无大弯曲，背斜两翼不对称，南东翼陡，倾角57°～80°，北西翼缓，倾角30°～44°，为线性斜歪背斜。两翼出露地层为侏罗纪中统新田沟组，中下统自流井组、下统珍珠冲组、三叠系上统须家河、中统雷口坡组、下统嘉陵江四段地层，背斜轴部为三叠系下统嘉陵江组三段地层。

3.3 水文条件

隧区址三叠系中下统碳酸盐类分布于背斜轴部，因受两侧碎屑岩所形成的中、低山岭的夹持，具备有利的岩溶发育条件，形成了特有的隆脊型溶槽谷，岩溶发育与岩型、地貌条件关系密切;岩溶水运动和富集则受地质构造控制。三叠系上统须家河组砂、页岩，和侏罗纪下统珍珠冲组砂、泥岩分布于背斜两翼，岩层以倾斜状态产出，具体形成碎屑岩孔隙裂隙层间承压水和红层承压水良好储水构造条件。尤其是北西翼为缓翼，为典型的自流斜地，是较富水类型之一。

4 结论

礼让隧道所处的地质环境复杂，存在多种不良地质体，对地质超前预报提出更高的要求，为了解决不良地质体预报过程中出现的“探不到、探不准、不定量”难题;根据不同灾害体采用相适应超前地质预报方法，使探报更为精确，确保礼让隧道顺利贯通。

1)隧道动态超前预报应以“地质分析法”为基础，地质分析与综合物探结合，洞内外结合，长短探测结合”为原则，并结合工程实际对各种方法预报结果综合分析，相互补充、相互验证，能大大的提高地质预报的解释精度。2)地质分析是隧道超前预报的基础，整个地质超前预报核心环节;在溶洞、突水等复杂地质环境下，与超前钻孔配合使用可提高地质预报精确度。3)“地质分析与综合物探相结合”是以地质分析为基础，与多种物探技术进行综合判定;从而提高勘探精度，减少多解性，才能得到正确的结果。今后隧道信息化施工采用多种超前物探技术会增加其成本，可行性较低，为了不限制物探技术发展，应动态调整物探技术，综合考虑地质超前预报的经济合理性及可行性。4)“洞内外结合”是指洞内、洞外预报相结合，并以洞内预报为主。5)“长短探测结合”是在进行粗查长距离探测预报，指导更为精确的短距离探测预报，对比分析长短预报结果，相互印证。6)超前地质预报是勘察设计阶段工程地质的后续工作，应进行设计与实际施工的对比分析，总结经验教训;合理运用超前预报技术，以不断提高隧道工程地质勘察水平。