李治洪，宋健健

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100）

0 前言

對(duì)于隧洞建設(shè)來(lái)說(shuō)，在開(kāi)挖前了解隧洞地質(zhì)情況特別重要[1]。通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，能提早發(fā)現(xiàn)隧洞內(nèi)存在的異常情況，預(yù)報(bào)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(kāi)挖斷面方式、支護(hù)設(shè)計(jì)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(shí)有效的信息。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)于安全施工、提高生產(chǎn)效率、縮短工程周期、節(jié)約項(xiàng)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(zhǎng)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(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，及時(shí)有效地預(yù)報(bào)能應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種不良地質(zhì)情況，對(duì)保證施工安全、質(zhì)量和進(jìn)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(bào)的應(yīng)用為例，簡(jiǎn)要介紹各種超前預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用。

1 各地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法原理

1.1 TSP 超前預(yù)報(bào)技術(shù)

TSP 超前預(yù)報(bào)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(lái)對(duì)隧洞掌子面前方及周?chē)鷧^(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。該法可以檢測(cè)出掌子面前方及周?chē)鷧^(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(kāi)挖方法為鉆爆法，見(jiàn)圖1。TSP 預(yù)報(bào)方法不必靠近掌子面。數(shù)據(jù)采集時(shí)在隧洞一側(cè)邊墻鉆24 個(gè)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(gè)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(hào)及直達(dá)波信號(hào)后被2 個(gè)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(chǎng)的分布規(guī)律，以此得出掌子面前方及周?chē)鷩鷰r情況及裂隙水發(fā)育程度，采用TSP 法對(duì)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(jìn)行初步的預(yù)報(bào)。

圖1 TSP 現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

1.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是利用高頻窄脈沖電磁波探測(cè)介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法，其工作原理是通過(guò)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(hào)，在電磁波向前方傳播的過(guò)程中，當(dāng)有介電參數(shù)差異的目標(biāo)體時(shí)，電磁波發(fā)生反射，由接收天線接收并記錄，在對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達(dá)波形、電磁場(chǎng)強(qiáng)度以及振幅、頻譜特征和雙程走時(shí)等來(lái)推測(cè)掌子面前方的地質(zhì)情況[4]。當(dāng)接近斷層時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)掌子面前方15 m 區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

圖2 探地雷達(dá)工作原理

1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM，它的原理：在輸送回線上提供一個(gè)電流脈沖方波，方波后沿下降的瞬間，磁場(chǎng)出現(xiàn)在回線法線方向，在一次磁場(chǎng)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(chǎng)消失以后，并不會(huì)馬上消失，它將有一個(gè)過(guò)渡（衰減）的過(guò)程[5]。在此過(guò)程中，二次磁場(chǎng)出現(xiàn)在掌子面?zhèn)鞑シ较蛏希a(chǎn)生衰弱，二次磁場(chǎng)由接收回線接收，由二次磁場(chǎng)的變化可以體現(xiàn)地質(zhì)體的電性分布情況。按不同延時(shí)時(shí)間測(cè)量二次感生電動(dòng)勢(shì)V（t）, 就能得到隨時(shí)間的衰減的二次磁場(chǎng)特性曲線。若不存在良導(dǎo)體，通過(guò)觀測(cè)將會(huì)有一個(gè)快速衰減的過(guò)渡過(guò)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(chǎng)的斷開(kāi)，所觀測(cè)到的過(guò)渡過(guò)程衰變速率將減緩，以此發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體。

經(jīng)過(guò)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(lái)推測(cè)掌子面前方的地質(zhì)情況。富水性的預(yù)報(bào)是隧洞超前的重難點(diǎn)，通過(guò)中等富水性洞段時(shí)，除地震反射波法和地質(zhì)雷達(dá)外，再增加瞬變電磁法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)，瞬變電磁法預(yù)報(bào)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(shí)例

以秦嶺隧洞黃三段II 標(biāo)3 號(hào)支洞控制區(qū)主洞下游K11+120.0-K11+230.0 洞段的TSP 法、3 號(hào)支洞控制區(qū)主洞上游K10+199.7-K10+184.7 洞段的地質(zhì)雷達(dá)法和3 號(hào)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(bào)方法在秦嶺隧洞中的應(yīng)用。

2.1 TSP 法

（1）測(cè)線布置

預(yù)報(bào)檢測(cè)時(shí)的掌子面樁號(hào)為K11+120.0，在樁號(hào)為K11+054.7 處的左右兩側(cè)邊墻風(fēng)鉆孔中安設(shè)預(yù)報(bào)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(gè)炮孔，各個(gè)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(cè)試結(jié)果初步分析

利用TSPwin 軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到深度偏移剖面和反射層提取圖，見(jiàn)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(hào)K11+136.5～K11+230.0 段反射能量較強(qiáng)，正負(fù)反射相間，推測(cè)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(qiáng)，以負(fù)反射為主，推測(cè)發(fā)育裂隙水。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

（1）測(cè)線布置

預(yù)報(bào)檢測(cè)時(shí)的掌子面樁號(hào)為K10+199.7，在掌子面上均勻布置四條測(cè)線，見(jiàn)圖6。

圖6 雷達(dá)測(cè)線布置圖

（2）測(cè)試結(jié)果初步分析

通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到4 條測(cè)線的剖面圖，見(jiàn)圖7、圖8、圖9、圖10。

圖7 1 測(cè)線剖面圖

圖8 2 測(cè)線剖面圖

圖9 測(cè)線剖面圖

圖10 測(cè)線剖面圖

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

1）1 測(cè)線：局部有振幅較強(qiáng)的反射波，該段與目前掌子面情況相近。

2）2 測(cè)線：樁號(hào)K10+195.7～K10+193.0 范圍內(nèi)出現(xiàn)反射弧，且極性反轉(zhuǎn)，推測(cè)圍巖在此處有變化，樁號(hào)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(cè)線：樁號(hào)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(cè)該段片理裂隙發(fā)育。

4）4 測(cè)線：局部有振幅較強(qiáng)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(cè)線布置

預(yù)報(bào)檢測(cè)時(shí)掌子面樁號(hào)為K10+363.3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，布置順層方向和斜向下45°方向扇形測(cè)線，見(jiàn)圖11。

圖11 扇形測(cè)線示意圖

（2）測(cè)試結(jié)果初步分析

圖12 順層扇形測(cè)線

圖13 斜向下45°扇形測(cè)線

通過(guò)對(duì)原始資料進(jìn)行處理分析，得到扇形剖面成果圖，見(jiàn)圖12、圖13。結(jié)合瞬變電磁法探測(cè)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(hào)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(duì)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(hào)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(duì)低阻異常，掌子面前方偏右30°方位15 m～35 m 存在相對(duì)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(bào)注意事項(xiàng)

（1）TSP 數(shù)據(jù)采集鉆孔前，必須用測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確測(cè)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(diǎn)由外至掌子面標(biāo)記序號(hào)；按設(shè)計(jì)要求（間距、孔深、傾角等）鉆設(shè)炮孔；若測(cè)定的位置無(wú)法鉆孔，可在以測(cè)點(diǎn)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(shí)，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(hù)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?chē)?00 m 范圍內(nèi)一切振動(dòng)干擾；炮孔一側(cè)應(yīng)盡量避開(kāi)避車(chē)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(lèi)電線（挪到距掌子面約30 m 以外）；地質(zhì)雷達(dá)法工作時(shí)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(shí)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(yǔ)

本文僅對(duì)秦嶺隧洞黃三段所用的3 種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了總結(jié)，每種方法都具有不同的特點(diǎn)，其中：（1）TSP 法預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)，對(duì)構(gòu)造比較敏感；（2）地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)距離較短，探測(cè)精度高，適用于在復(fù)雜洞段進(jìn)行精細(xì)探測(cè)；（3）瞬變電磁法對(duì)低阻異常敏感，現(xiàn)場(chǎng)操作過(guò)程中方向性好。因此在實(shí)際施工過(guò)程中對(duì)預(yù)報(bào)方法的選取要結(jié)合實(shí)際圍巖地質(zhì)條件、地下水發(fā)育等情況來(lái)綜合確定。