综合地质超前预报在隧道施工的应用范文

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摘要:为了提高单一的地质超前预报方法在隧道工程施工中对掌子面前方地质情况预报的准确性与可靠性，降低工程风险，确保施工安全，在新建铁路蒙西至华中地区铁路煤运通道三门峡至荆门段核桃园隧道施工过程中，运用地质雷达法、瞬变电磁法、TST隧道地质超前预报三种方法对隧道掌子面前方地质情况进行探测，经综合分析，较为成功的预测到岩溶和岩溶水的存在，取得了较好的效果，说明了综合地质超前预报相对于单一方法而言，更具有优越性和实用性。

关键词:综合地质超前预报；隧道工程；施工安全；岩溶

0引言

随着国民经济的大力发展，国家在基础建设上的投入越来越大。近几年来，国内交通建设发展迅速，而隧道工程往往是交通建设中无可避免，也是在施工过程中较容易发生突水、涌水、掉块、塌方等工程事故的工程，因此，在隧道工程开挖前，地质超前预报工作就显得尤为重要。目前，国内地质超前预报的常用方法有:地质预报法、超前勘探法(包括超前水平钻孔、平行导洞法、先进导洞法)、物探法(电法、电磁波法、地震波法)等。在过去大量隧道工程施工过程中，多采用某种单一的地质超前预报方法，来对施工掌子面前方岩土体情况、不良地质体的工程部位及成灾可能性作出预测和预报。然而，在开挖过程中发现实际地质情况往往与预报不太相符，这充分说明了单一的方法准确性远远不够，因此，为了加快施工进度，确保施工安全，保证工程质量，采用多种方法同时对施工掌子面前方地质情况进行探测，将所得结论进行相互论证，相互补充，以提高预报的可靠性和准确性。

1工程概况

新建铁路蒙西至华中地区铁路煤运通道三门峡至荆门段核桃园隧道位于河南省南阳市西峡县西坪镇境内豫西秦岭东段，隧址为丘陵地貌，地形起伏大，沟谷狭长，多呈“V”字型，隧道采用单洞双线隧道形式，起讫里程为DK817+849～DK819+229，全长1380m，隧道最大埋深约214m，纵坡为－10．8%的单面下坡。隧道区大部分基岩裸露，局部地段有残坡积土层分布。出露的地层从新至老有第四系(Q4);下元古界秦岭群界牌组(Pt1j)云母石英片岩、石英片岩;下元古界雁岭沟谷组(Pt1jy)大理岩地层。隧道区的不良地质有风化岩、岩溶发育带、断裂破碎带，本隧道由于构造较发育，故构造裂隙水推断较发育。

2工作方法及其原理

2．1地质雷达法本次隧道地质超前预报采用了中国电波传播研究所开发的LTD-2100地质雷达，配置100MHz天线。地质雷达法以电磁波传播理论为基础，以目标体与周围介质的介电性质差异为前提，通过发射高频电磁波(中心频率为数十MHz到千MHz)，以宽带短脉冲形式在掌子面上由发射天线T送入前方，遇到不同阻抗界面时反射回来，由接收天线R接收，电磁波信号在介质中传播，遇到介电性质不同的分界面就会产生反射、色散和衰减等现象，发射和接收天线在测线上按一定的间距同步移动，获得该测线的雷达探测图像，根据反射信号的时间、相位、频率、幅度及波形等特征来分析和推断介质性质与界面位置。

2．2瞬变电磁法本隧道工程中利用瞬变电磁法的超前预报工作，是将不接地回线置于隧道掌子面上，向掌子面前方发射脉冲式一次电磁场，在该电磁场的激发下，掌子面前方的导电地质体受感应而产生涡旋电流，即二次电流。由于导电地质体是非线性的，所以脉冲电流从峰值跃变到零，一次磁场立即消失，而二次电流则有一个瞬变过程，在该过程中即会产生二次磁场，二次磁场大致按指数规律递减，形成瞬变磁场，通过观测该瞬变磁场，即可发现掌子面前方的异常地质体。2．3TST隧道地质超前预报本次隧道地质超前预报工作中，采用了TST隧道地质超前预报系统(TST即TunnelSeismicTomography的英文缩写，以下简称TST系统)。TST是隧道散射地震成像技术的简称，其观测系统采用空间布置，接收与激发系统布置在隧道两侧围岩中。地震波由小规模爆破或电火花产生，并由地震检波器接收。TST可有效地判别和滤除侧面和上下地层的地震回波，仅保留掌子面前方回波，避免现行超前预报方法中虚报、误报率高的技术缺陷，并能同时获得掌子面前方围岩的准确波速和地质体的位置图像。TST系统硬件主要由地震信号采集器、地震信号记录器、检波器及连接线缆、震源等几部分组成。

3三种方法的综合应用

核桃园隧道工程在施工过程中分别采用了上述三种方法对掌子面前方的地质情况进行了探测。现以里程DK818+465～DK819+480段为例，先分别对三种方法所测数据进行处理与分析，得到相应的结果，再综合三种结果，进行统一对比分析，相互印证。

3．1地质雷达法数据处理与分析地质雷达法数据处理结果:在掌子面前方0m～2m(DK818+465～DK818+467)范围内反射波信号较杂乱，是由于掌子面开挖引起的杂乱反射。在掌子面前方2m～8m(DK818+467～DK818+473)范围内反射波同相轴不连续，局部振幅较强，电磁波频率衰减快，推断该范围内岩溶裂隙较发育，围岩较破碎。在掌子面前方8m～15m(DK818+473～DK818+480)范围内反射波信号强烈，能量团分布不均匀，振幅高而宽，推断该范围为岩溶较发育，并且富含岩溶水，施工时应做好支护及防排水措施，防止掉块及突水、突泥。

3．2瞬变电磁法数据处理与分析瞬变电磁法数据处理结果:共存在2个低阻异常区和2个高阻异常区，具体分析如下:低阻异常区位于掌子面前方8m～15m(DK818+473～DK818+480)和23m～30m(DK818+488～DK818+495)范围内，该区域视电阻率较低，推断该范围内为富水溶洞。高阻异常区位于掌子面前方55m～60m(DK818+520～DK818+525)和70m～75m(DK818+535～DK818+540)范围内，该区域视电阻率较高，推断该范围内裂隙带较发育，围岩岩体结构完整性较差。当隧道施工到上述里程时，应采取相应的防护措施，再进行施工，以确保施工安全。3．3TST隧道地质超前预报数据处理与分析TST隧道地质超前预报数据处理结果:在掌子面前方0m～20m(DK818+460～DK818+480)段围岩波速为3780m/s，岩石强度低。同时地震波偏移图像显示区域红蓝条纹很多，推测该段岩溶裂隙发育强烈，且富含岩溶水，施工时应注意岩体破碎导致的掉块或塌方，并做好防水措施。在掌子面前方20m～50m(DK818+480～DK818+510)段围岩波速由3780m/s升高到3980m/s，岩石强度升高。同时地震波偏移图像显示区域红蓝条纹相对较少，推测该段节理裂隙较发育，围岩完整性较差。在掌子面前方50m～60m(DK818+510～DK818+520)段围岩波速为3980m/s，岩石强度相对较高。同时地震波偏移图像显示区域红蓝条纹较强，推测该段裂隙较发育，工程性质较差。在掌子面前方60m～70m(DK818+520～DK818+530)段围岩波速为3850m/s，岩石强度相对较低。同时地震波偏移图像显示区域红蓝条纹很少，推测该段为无水溶洞。在掌子面前方70m～80m(DK818+530～DK818+540)段围岩波速由3850m/s升高到4180m/s，岩石强度升高。同时地震波偏移图像显示区域红蓝条纹较明显，推测该段溶蚀裂隙较发育，围岩较破碎。在掌子面前方80m～120m(DK818+540～DK818+580)段围岩波速为4180m/s，岩石强度高。同时地震波偏移图像显示区域红蓝条纹较少，推测该段节理裂隙较少发育，围岩完整性较好。

3．4综合分析通过对三种方法的探测结果进行综合分析，可以发现在该隧道里程DK818+465～DK818+480段，三种方法的探测结果都出现了明显的异常，推测该段可能存在溶洞或溶蚀裂隙，且为富水带。经后期施工开挖验证了这一结果的准确性。

4结语

地质超前预报工作是隧道工程施工过程中的重点工作之一，其预报结果的准确性往往直接影响隧道施工进度和工作人员的生命安全。由于物探结果具有多解性，单一的某种方法对隧道掌子面前方真实地质情况的预测可靠性不高，而采用多种方法来进行预报可相互弥补每种方法的不足之处，并且可以相互验证彼此的结论，从而提高地质超前预报的准确性。本隧道充分利用了地质雷达法、瞬变电磁法、TST隧道地质超前预报法三种方法的优点，得到了较为可靠的地质信息，大大降低了因盲目施工引起的隧道突水，突泥，危岩崩塌等工程事故发生的概率，提高了施工效率，保障了施工安全。由于不同隧道地质情况的不同，所使用的地质超前预报方法也不尽相同，而采用综合地质超前预报技术方法可提高预报的准确性与结果的可靠性，这是毫无疑问的，因此，对综合地质超前预报技术的研究是一个必然的趋势，若能建立一套系统的综合地质超前预报技术方法，对于地下工程建设将具有非凡意义。

参考文献:

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［3］赵永贵，刘浩，孙宇，等．隧道地质超前预报研究进展［J］．地球物理学进展，2003，18(3):460-464．

［4］肖宏跃，雷宛，杨威．地质雷达特征图像与典型地质现象的对应关系［J］．煤田地质与勘探，2008，36(4):57-61．

作者：戴世鑫1;谭小丰2;钟威2;田理嘉2 单位：1．湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，2．湖南科技大学资源环境与安全工程学院