摘要：以廣樂高速公路長基嶺隧道為工程實例，通過綜合應用TSP法、高密度電法和超前鉆孔法，對相應的不良地層地段(YK90+990～YK91+030)做超前地質預報，較為準確地掌握了富水帶和節理密集帶的位置及規模。綜合應用這幾種超前預報方法能夠解決各單一方法的缺陷，得到更準確的預報結果，為隧道掘進提供相應的對策和必要的安全防范措施。

　　關鍵字：超前地質預報,高密度直流電法,TSP,超前鉆孔,長基嶺隧道

　　0 引言

　　近年來，隨著我國隧道建設的大力發展，各類突發地質災害造成的安全事故十分頻繁。若能對隧道掌子面前方的地質條件及水文地質條件，如掘進前方是否有巖溶、斷層破碎帶、富水區域等不良構造進行準確預測，且根據預測結果合理地安排掘進進尺并修正施工方案，采取必要的防范措施，則可避免險情發生。目前，關于超前地質預報在隧道建設中的應用已有相應的研究。李乃旺等[1]應用高密度電阻率法，對寧淮高速公路南京老山隧道進行了超前探測，得到了隧道和斷層破碎帶相交處為淺部裂隙巖溶含水帶中的優良導水帶, 該處涌水的可能性很大, 其推斷結果在施工中得到證實;余左清等[2] 應用高密度電法對戌街隧道進行了超前探測，結果表明該方法簡單易行, 準確率高, 其結果與開挖后揭露的地質情況吻合較好;尹培林[3]應用TST方法，對桃園隧道進行了勘測，結果表明TST 技術采用空間觀測系統有效地提高了速度分析精度和構造定位精度, 應用二維濾波技術有效地消除了面波和側向回波, 保證了預報結果的真實可靠;高輝[4]等應用TSP技術對雁門關特長隧道進行了預報，得出該方法能夠有效地防止工程事故的發生，加快工程進度，同時也能減少工程造價。

　　針對目前的研究現狀，還很少有綜合TSP，高密度直流電法和超前鉆孔法這幾種方法對復雜地質條件下隧道掌子面前方巖體進行超前探測研究的。因此，本文將以廣樂高速公路長基嶺隧道為工程實例(該隧道所處的地層條件極其復雜，斷裂帶、巖溶、節理密集帶、地下水等不良地質現象分布極其發育)，通過綜合應用TSP、高密度直流電法和超前鉆孔法對掌子面前方巖體進行超前預報，探明了相應的不良地質現象的位置和規模，為施工前采取必要的安全防范措施提供了準確詳實的科學依據。此外，通過幾種方法的綜合，可以解決單一超前地質預報方法的缺陷，優缺點互補，得到更為準確的結果。

　　1 TSP法的原理及測線布置

　　1.1 TSP法的原理

　　TSP(Tunnel Seismic Prediction)是瑞士Amberg測量技術公司研制開發的一套隧道地震超前預報系統，采用地震方法對隧道地質情況進行探測，屬多波多分量高分辨率地震反射波探測技術(圖1)。與常規地震反射波探測技術不同之處，在于該系統是專門為長距離隧道施工地質超前探測而設計。該技術主要是在隧道的左邊墻或右邊墻上布置一定數量的炮孔，通過小藥量激發產生地震波(彈性波)，地震波在巖石中以球面波形式傳播，地震波遇到巖石波阻抗差異界面(例如裂隙帶、斷層或巖層變化等)，有一部分信號會發生反射，反射信號將被布置在隧道左右邊墻上的2個高靈敏度的三分量加速度地震傳感器(檢波器)所接收并記錄下來TSP系統利用地震波在不均勻地質構造中產生的反射波特性來準確預報隧道施工前方幾百米范圍內的地質條件和巖石特性變化。

　　圖1 TSP超前預報原理示意圖

　　1.2 TSP法的測線布置

　　測線布置如圖2所示，在掌子面后方的邊墻上依次布置爆破孔24個，孔間距1.5m，兩個接收孔分別在布置在兩側邊墻，均距離第一個爆破孔19m。

　　圖2 TSP探測系統布置示意圖

　　1.3 TSP法的數據處理

　　采集的數據采用TSPwin light2.1專用軟件進行處理。處理時，首先正確輸入隧道及炮點和接收點的幾何參數。剔除質量差的記錄道。基本處理流程包括11個主要步驟，即：數據設置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。

　　2 高密度直流電法的原理及測線布置

　　2.1 高密度直流電法的原理

　　電法勘探是以研究地殼中各種巖石、礦石電學性質(導電性、介電性、導磁性、激電性)之間的差異為基礎，利用電場或電磁場(天然或人工)空間和時間分布規律來解決地質構造的一類地球勘探方法。該方法屬于全空間電法勘探，供電電極A相對無窮遠電極B可以看作為點電源，均勻介質中它所形成的電場可近似看作一個球體，如圖3所示。根據電場球殼原理，任意等半徑球面上的電位是相等的，兩個等位面上的點M、N之間形成電位差ΔUMN，利用發射電流可計算出MN球環上的視電阻率。通過在巷道迎頭后方布置電極，從而可探測出迎頭前方的異常情況，其工作原理如圖4所示。為了能夠正確預報掌子面前方地質構造，采用三個供電電極交替供電分別測量的方式，利用幾何交匯的原理(如圖5所示)，從而只探測掌子面前方的潛在危險部位，此即三級法超前探測。

　　2.2 高密度電法的測線布置

　　長基嶺隧道進口左線供電點A1布置在距掌子面14m處，A2和A3電極布置在A1電極后，各供電電極間距為4m，電極布置如圖5。測量電極MN向掌子面后方移動，每次移動間距為4m。MN間的距離為4m。通過移動測量電極MN，采集隧道周圍巖石的視電阻率值，即可得到掌子面前方視電阻率[5]相關比值等值線圖。

　　圖5 幾何交匯原理

　　3 超前鉆孔法

　　超前鉆孔法是迄今為止地質預報最為直接、最為可靠的方法，對規模較大的區域性斷層、物探超前預報的異常段(可能的突涌水段)，通過超前水平鉆探(取芯)進一步確定斷層的位置、破碎帶的寬度、富水情況等不良地質狀況。該方法對垂直隧道軸線的地質結構面預報效果較好，但與隧道軸線平行的結構面預報較差。由于超前鉆探需占用較長的施工作業時間，且費用較高，因此，超前鉆探一般只作為短期預報方法，且僅針對某些重點疑難問題進行驗證預報。超前鉆孔法的鉆孔設計見圖6，鉆孔參數見表1。

　　4長基嶺隧道地質條件概況[6]

　　隧道區位于粵北凹褶束-韶關凹褶中的天門坳隆起區，地層復雜，斷裂發育。地質調繪顯示，該隧道共發育和穿過14條斷層，其走向為北北東向和北東向，南北向。另外，隧道隨處地層巖性復雜，構造復雜，巖溶發育，地質條件極其復雜。

　　本次探測段所處的地層，為灰巖，中風化帶，巖體較破碎，屬于區域強巖溶段，小管道狀巖溶泉，垂向分帶為季節性變化帶巖溶水，橫向分帶為補給徑流區，在大約ZK91+100處見一處季節性巖溶泉，出露高程為301m處的洼地中，雨季流量5～20L/S，旱季斷流，長年不干。該里程段物探勘測為3條斷層，且三條斷層均與隧道相交，切過溝系，極可能成為導水通道。另CSA7ZK5鉆孔穩定水位位于高程313.71m、CSA7ZK4鉆孔位于孔深99.6m處涌水，即標高為206m，說明在此高程處存在巖溶通道壓力水，水一直上升至孔口溢出，因此，隧道開挖至該斷層處時，將出現滲水或突水的可能性極大。

　　5 預報結果及分析

　　5.1 TSP法的預報結果及分析

　　通過測量，鉆孔，洗渣，放藥，儀器連接，爆破和結果的解譯，得到了相應的預報結果：

　　在YK90+960～YK90+991段內(長度30m)，巖體縱波波速為5410m/s，橫波波速2940 m/s。為弱風化中厚層狀灰巖。推測段內巖體較為破碎，受隧道頂部深處構造影響，節理密集，間距約為2～3m。

　　在YK90+991～YK91+024段內(長度33m)，巖體縱波波速低且跳躍打，發育破碎帶，橫縱波均有較強的反射現象，存在多組貫通性構造面，巖體完整性差。推測其為勘察資料中的WF109斷層，段內存在多組反射面，推測巖體較為破碎。在YK91+010～YK91+020內，縱橫波均變化為負反射，地下水含量較高。

　　在YK91+024～YK91+055段內(長度31m)，圍巖為弱風化中厚層狀灰巖，巖體節理發育，較為完整。

　　在YK91+055～YK91+070段內(長度15m)，巖體縱波波速為5500m/s，波速平穩。在055,064,068處節理密集，間距約1～2m，含水量有限。

　　根據以上的預報結果，可以看到該段內巖體質量較差，節理發育，大部分富含地下水，但相應的斷層破碎帶的規模位置及富水區的情況，還需要高密度電法和超前鉆孔法來進一步預報，以保證施工的安全。

　　5.2 高密度電法的預報結果及分析

　　針對TSP法預報的結果，在段YK90+991～YK91+024內可能為斷裂帶和富水區，因此應用高密度電法對該段內做進一步更為精確的預測，結果如圖7所示。

　　圖7 高密度直流電法的預報結果

　　從預報結果可以看到，在YK90+995～YK91+000內，視電阻率較高，推測巖體的破碎程度相比較好一些;在YK91+000～YK91+014段內，視電阻率相對較低巖體相比較破碎些;在YK91+014～YK91+026段內，視電阻率普遍最小(80～90)，推測該段內可能存在裂隙水，也有可能該處無水，但巖體相對破碎，為斷裂破碎帶范圍，為明確富水情況，應用超前鉆孔法對該段取芯做最終驗證。

　　5.3 超前鉆孔法的探測結果

　　通過掌子面鉆孔取芯，對巖芯的分析，可以得到掌子面前方一定范圍內巖體的地質情況和水文情況，其中4#孔的探測結果如下：

　　在YK90+985～YK90+995.5段內，灰巖，中風化，巖體較破碎，屬硬巖;在YK90+995.5～YK91+024.6段內，巖體破碎，屬斷層破碎帶;在YK91+024.6～YK91+034.2段內，巖體較破碎;在 YK91+015～YK91+018.4段內出水，水量最大約0.1m3/h，后逐漸減小，水質澄清，與旱季施工階段水量情況相符，要做好雨季期間圍巖滲涌水情況監測，此段支護參數適當加強。

　　通過采用超前鉆孔，進一步驗證了高密度電法和TSP法的預報結果，直觀掌握了斷層破碎帶的規模位置及地下水的賦存情況及水量大小，彌補了幾種單一方法的不足，進一步提高了預報準確性，對隧道掘進前方需采取的安全措施及對策制定有了明確指導，確保了施工安全。

　　6 結論

　　(1)TSP法的預報距離較長(100～150m)，預報的結果宏觀性大，主要探測掌子面前方的斷裂破碎帶和裂隙發育帶，但細觀位置和規模尤其是巖溶富水地質狀態還需要其它方法來進一步互補預報。該方法成本低，但操作工序較多，對施工有略微影響(放炮時需要停工約1小時)。

　　(2)高密度直流電法超前地質預報方法簡單，具有操作方便、對施工影響小的優點，但其預報距離較短，大概30～50m，屬于短距離預報。該方法可以對TSP預報分析的重點不良地段進行含水構造、水量規模和范圍的預報，避免冒進產生的大規模突水涌泥事故。

　　(3)超前鉆孔法是最直接最可靠的預報方法，可以對高密度電法及TSP法預報結果解譯的不確定區段及重點不良地質段內進行可靠直觀的驗證，是對這兩種方法的一種完善和補充。但該方法有用時長、費用高的缺點。

　　(4)綜合應用TSP法，高密度直流電法和超前鉆孔法幾種方法，可以克服單一方法存在的不足，能夠相互補充驗證預報結果，提高預報結果的可靠性，為施工采取相應措施和應急預案提供依據。

　　在地質條件復雜的隧道中，尤其是巖溶隧道，應綜合運用多種預報方法，取長補短,結合地勘資料和地表調查分析，綜合分析，能取得較好的地質預報效果。

　　參考文獻

　　[1]李乃旺,李曉昭,徐鳴潔,梁清雨,鐘凱.高密度電法在老山隧道勘察中的應用.地球科學與環境學報[J].2007,29(4) :412～415.

　　[2]余左清,廖聲林.高密度電法在隧道超前地質預報中的應用. 山西建筑[J]. 2010,36(20) :343～345.

　　[3]尹培林.TST 在隧道超前地質預報中的應用.低溫建筑技術 [J]. 2011,2:98～101.

　　[4]高輝，王建輝. TSP地質超前預報在隧道建設中應用價值的探討.山西交通科技[J]. 2006,3 :71～73.

　　[5]YDZ(A)直流電法儀使用說明書[R].煤炭科學研究總院西安研究院.2007，10，3.

　　[6]樂昌至廣州高速公路坪石至樟市段第T10.D1冊[R].中交第二公路勘察設計研究院有限公司.2011，1.