云南某隧道施工中的地质超前预报方法应用实例分析

COnSTRLICTiOn SAFETY j U L A令2020年第8期桥梁随道施工安全
云南某隧道施工中的地质超前预报方法
应用实例分析
任喻云\杨航2
(1.四川长瑞土木工程检测有限公司，四川成都610000 ; 2.成都理工大学地球科学学院，四川成都610000)
【摘要】地质超前预报是隧道施工过程中必要的工作。

长短距离、多方法、地质条件结合，能有效地预测隧道掘进方向上可能存在的断层、破碎带、涌突水、岩溶等不良地质条件对隧道施工的 影响，文章介绍结合地质条件，选用TST隧道地震层析成像系统及地质雷达，首先运用TST技术 对隧道一段地质条件进行预测分析，得出隧道该段预报结果可以划分为三段，再辅以地质雷达测 试分析，精确地质预报结果，再结合开挖验证预报结果。

【关键词】隧道地质地球物理地质超前预报
【中图分类号】P627 【文献标志码】A
〇.引言
地下工程地质时况是复杂多变的，而隧道在前 期开挖过程中的地质状况指导资料大多是设计及 勘察单位通过地质调查法、电法勘探及钻孔勘探等 手段形成的设计资料；钻孔勘探一般上百米一个勘 探孔，不能以偏概全地代表隧道穿越地层的所有地 质资料；因此地质超前预报工作是必不可少的。

地质超前预报对隧道信息化建设、灾害防治和安全保 障问题有着重要作用[1_2]。

鉴于国内外现有的地质 超前预报技术条件，地质超前预报技术手段存在的 局限性，采用某单一的预报手段不足以获取精确的 技术指标来预测隧道施工中的地质问题；尤其在地 质条件较差的地区，运用多方法对前方地质条件进 行精确预报显得尤为重要。

对于隧道工程，目前采 用的传统预报手段大部分均是对掌子面前方地质 条件进行预报，容易忽略隧底及隧道周边地质条 件；然而在岩溶发育地区，隧底及隧道周边的岩溶 也容易对隧道开挖形成较大的风险。

而TST隧道地 震层析成像系统能够对險道周边一•定范围内的不 良地质条件作出较为准确的预报。

本次研究目 的为采用多方法预报贵州某隧道前方及周边地质 条件并验证TST隧道地震层析成像系统在岩溶发育地区对不良地质体的预报准确性。

1.工程概况
某隧道位于高原溶蚀地貌区与丽江盆地过渡 地带，起伏大。

隧道通过黏性土(膨胀土），0上黏性土、块石土，n白云质灰岩。

测区地质构造复 杂，测区通过的断层主要有地表水不发育。

地下水主 要为岩溶水、断层水，水质对混凝土结构无侵蚀性。

不良地质有岩溶、断层破碎带及崩塌体，特殊岩土有 膨胀土。

隧道通过碳酸盐地层，岩溶中等~强烈发育，岩溶垂直渗流带与水平循环带的交替带，地下水发 育。

隧道开挖可能遇暗河、溶洞等岩溶形态及涌水、突泥等危害。

预计隧道一般涌水量为1.66x l04m3/d，雨季最大涌水量为2.55x l04m3/d。

本隧道为单坡隧 道，施工中应加强排水措施。

测段地震动峰值加速 度为〇.3g,地形起伏左高右低，起伏大。

本次研究段如图1，里程为XSlDK347+787~ XS1DK347+907,主要由块石土及白云质灰岩组成，属较硬岩~中硬岩，节理裂隙较发育，层间结合一 般；围岩稳定性较差，埋深小的部位以拱部松动变 形为主，埋深大的部位，有明显塑性形变和挤压破 坏。

隧道掌子面XS1DK347+787左侧主要为白云质 灰岩、右侧局部块石土，属较硬岩~中硬岩，围岩裂
4
COnSTRUCTiOn SAFETY2020年第8期桥梁随道施工安全高程A/m
1—黏土；2 —块石土；3 —白云盾灰岩；4一隨道主线；5—工程钻孔
图1工程概况
隙较发育且含水（呈滴漏状）。

2.探测原理及参数选择
2.1 TST隧道地震层析成像系统原理
TST(Tunnel Seismic Tomography)是随道地震 层析成像系统的简称。

其探测系统采用沿隧道两侧 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产生，并由地震检波器接 收。

TST应用偏移成像技术，可有效地判别或滤除 侧面和上下地层的地震回波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。

当地震 波传播中遇到岩石强度变化大（如物理特性和岩石 类型的变化、断层带、破裂区的出现）的波阻抗界面 时，部分地震波的能量被散射回来。

散射信号的传 播时间与散射界面的距离成正比，因此知晓围岩大 致波速的情况下，能作为地质体位置的直接测量方 法。

以此方法能预报不良地质体的性质、位置、规模 等特征，为探明地质情况提供科学依据[5^。

根据王胤、叶海兵、孙洪强等人[w°]对TST应用 的总结经验，本次试验运用中TST数据采集系统的 布置如下：（1)根据隧道宽幅12 m,共设置12个检 波器，按间距3.0 m对称布置于隧道两侧边墙内，每侧各6个；（2)共6个激发震源，钻孔埋深1.5ra,按每侧第1个震源孔距最近检波器3 m，其余5个 孔之间相互间距12 m布置在隧道两侧边墙内，每 侧各3个孔（图2)。

P5 P3 PI SI S2 S3 S4 S5 S6
1—IT隧道宽幅；2—D1孔深；3—L2激发间距；4一L0接收间
距；5—P*激发孔位；6—S*接收孔位；7—/■距掌子面距离
图2 T S T布线[川
根据实际布线情况，利用配套软件TSTwin 进行参考点和现场观测参数设置。

其中参考点参 数包括：隧道宽幅、高程、开挖方向、掌子面里程 等；现场观测点参数包括：观测方案、检波器距掌 子面距离、布线方式等。

合理的参数设置和选择 对预测结果的精度有着重要的影响，部分参数选 择如表1。

关键参数设置 表1名称值
观测方案三分量12道6炮距掌子面距离L/m2
接收激发间距/m3
布线方式、道序正时针方向，正序
5
COnSTRUCTiOn SAFETY2020年第8期桥梁隧道施工安全
2.2 地质雷达原理
地质雷达（Ground Penetrating Radar(GPR))是
一种通过屏蔽天线发射和接收高频率电磁波以此
探测地下物体的设备:12]。

地质雷达超前预报是通过
发射天线发射电磁波，并在地下工程前方的岩体中
传播，当电磁波遇到介质差异（电性不同）的分界面
时，就会产生反射波，反射波被地质雷达接收天线
所接收，然后通过雷达转换卡将脉冲电信号转换成
数字信号，并传输存储于地质雷达主机内；最后经
过专用后处理软件进行一系列的滤波、噪声去除、
增益调节等处理，得到形象且连续雷达水平纵剖面
图，根据电磁波在介质内的传播速度和反射波走时
对不良地质体的位置进行预报％15]。

本次采用的探
地雷达型号为LTD-2100,配套100 MHz屏蔽天
线，可对掌子面前方〇~30m范围内地质情况进行
短距离预测，在精度方面技术指标已经达到国外同
类水平[|6]。

3.研究结果分析
3.1 TST地震探测结果分析
TST隧道地震层析成像系统采用的是偏移成 像技术来预测结果，准确识别不同方向上接收到的 回波，有效剔除对预报结果无用的回波并将前方有 用的回波保存，以此确保速度偏移分析准确性及掌 子面前方偏移成像的可靠性。

预测结果分为偏移图像、波速分部曲线以及反 射面提取图。

根据不同的岩性变化TST隧道地震层 析成像系统后处理软件生成的偏移图像及波速分 部曲线会有所不同。

在偏移图像中，当地震波从地 质情况较完整的地质体进人较差的地质体时一般 在偏移图像中呈现蓝色条纹，波速较高；反之呈现 红色条纹，波速较低。

当地质体中岩溶发育时，地震 波通过溶腔外壁进人溶腔内然后再往后方地质体 传播，由于波的传播特性，在固体中的波速比气体 中高;波速由高变低，反射系数是负值，偏移反射层 显示为蓝色，显示先蓝后红的条纹界面，呈现孤立 体条纹现象。

而波速分部曲线揭示地震波经过该段 地质体，其纵横波在地质体中传播速度的起伏变 化，根据上述纵横波速，还可以计算出围岩的力学 参数分布曲线。

同时可以得到强反射面的位置，通过反射面均匀程度与所得偏移影像与围岩力学参 数进行比较，划定掌子面前端地质体分段。

本研究 段的处理结果部分如图3~图5所示。

结合图3-图5分析可将该隧道掌子面XS1DK347+1—X轴代表预测距离及桩号；2—y轴代表对应力学参数值；3—蓝 红代表纵波偏移
图3影像偏移图与围岩力学参数分布曲线
图5隧道围岩三维偏移影像叠合
787前方120 m内地质情况大致分为3个分析段 (表 2)。

(1)第一段为 XS1DK347+787-XS丨DK347+820;
6
COnSTRUCTiOn SAFETY 此虼4令2020年第8期桥梁隧道施工安全
地质超前预报分段表2
桩号里程XS1DK347+787-XS1DK347+820XS1DK347+820-XS1DK347+874XS1DK347+874-XS1DK347+907长度/m 0-3333 〜8787 〜120岩体纵波K P /(m_s_1)3300334CH43803200岩体横波[^/(n v r1)2060-21402060-26002150该段围岩纵波波速匕为3300 m /s ,横波波速V s 为 2060〜2140 m /s ;波速整体较低，推测该段的岩体强 度相对较低。

偏移成像时红蓝相间的条纹较多，特 别是在正前方13~21 m 、左前方5~10 m 等处出现 典型的孤立体反射条纹。

推测该段围岩节理裂隙发 育，完整性差，岩体或呈大块-碎块状结构，稳定性 较差，在 XS 1DK 347+800-XS 1DK 347+808 的洞身范 围内，以及 XS 1DK 347+793-XS 1DK 347+797 的左侧 范围内，岩溶中等发育，存在充填型溶洞或溶蚀裂 隙发育带；根据纵波和横波的速度变化结合掌子面 含水情况可以推测出该段岩体可能含水较掌子面 稍多。

(2) 第二段为 XS 1DK 347+820-XS 1DK 347+874; 该段围岩纵波波速VP 为3340〜4380 m /s ,横波波速 Fs 为2060〜2600 m /s ;该段围岩波速稍高，推测岩 体强度较前一段升高。

偏移图像中红蓝条纹较少， 但在56~64 m 之间存在典型的孤立体反射条纹，在 43 m 、80~88 m 之间条纹稍强。

推测该段围岩总体 上节理裂隙略发育，完整性稍好，岩体或呈厚层状 结构，稳定性稍好。

在XS 1DK 347+843-XS 1DK 347+ 851之间岩溶发育，或为充填型溶洞。

推测在 XS 1DK 347 +830 附近，以及 XS 1DK 347 +843 - XS 1DK 347+851之间为溶蚀裂隙发育或存在软弱 夹层。

该段围岩纵波和横波的速度较上一段有所提 升，推测围岩含水量较上一段稍弱。

(3) 第三段为 XS 1DK 347+874-XS 1DK 347+907;该段围岩纵波波速K P 为3200 m /s ,横波波速^为 2 150 m /s ;围岩的波速相对较低，推测该段岩体强 度较低。

偏移成像时红蓝相间的条纹较多。

围岩节 理裂隙发育，围岩完整性较差，岩体呈块状结构，稳 定性较差。

该段围岩泊松比不高，推测含水性较弱。

可以看出该段围岩地质情况总体上节理裂隙 发育，岩体完整性和稳定性差。

未发现断层破碎带， 岩溶中等发育；岩溶分布在XS 1DK 347+803- XS 1DK 347+808的洞身范围内，以及XS 1DK 347+ 793-XS 1DK 347+798的左边墙深度10~15 m 范围 内，XS 1DK 347+843-XS 1DK 347+851 之间，充填型 岩溶的可能性较大。

在XS 1DK 347+830附近，以及
XS 1DK 347+843-XS 1DK 347+851 之间或为软弱夹 层；该段围岩含水性总体上较弱，在XS 1DK 347+ 817-XS 1DK 347+875区间内含水稍多。

3.2地质雷达探测结果分析鉴于TST 预报结果该隧道XS 1DK 347+787- XS 1DK 347+817段围岩较差，且情况复杂，岩溶发 育较强烈，故运用LTD -2100型地质雷达（GC 100 MHz 天线），沿掌子面从左到右布设一条测线对掌 子面前方地质条件再次进行探测，测线距地面高度 1.5 m ,探测结果作为对比参考；得出XS 1DK 347+ 787-XS 1DK 347+817 段（参考电子波速为 0.1 m /ns , 现场数据从掌子面左侧至右侧采集）掌子面前方电 磁波反射信号强度总体相对较强，存在3处典型的
岩溶反射信号，结合掌子面情况推测认为该段围岩
1 一黄色框内为溶蚀含水裂隙带；2—蓝色框内为岩溶裂隙带
图6掌子面XS 1DK 347+787前方30 m 地质雷达探测波形水平纵剖面
7
COnSTRUCTiOn SAFETY M A±2020年第8期桥梁随道施工安全
整体完整性极差，含水可能性稍大，岩体破碎可能 引起掉块或坍塌，施工期间需要及时采取支护及排 水措施；其波形图如图6所示。

根据TST隧道地震层析成像系统及地质雷达
参考文献：
[1]钱七虎.隧道工程建设地质预报及信息化 技术的主要进展及发展方向[J].隧道建设，2017,37 (3)：251-263,
预报结果综合所得：
(1) 在TST系统的探测结果中预测掌子面前10〜30 m围岩节理裂隙发育，掌子面左侧深度5~10 in
范围内、洞身13~21 m范围内岩溶中等发育，存在
充填型溶洞或溶蚀裂隙发育带，且岩体含水可能较
掌子面稍多。

(2) 地质雷达探测结果预测掌子面左前方（1.2- 13 m)有1处溶蚀含水裂隙带，掌子面中部前方(12-
15.5 m、20.4~30 m)有2处岩溶裂隙带。

结合开挖实际验证照片如图7所示，掘进1.5m
左右在掌子面左上方，发现超前预报结果中所对应
的溶浊裂隙带且含水。

图7开挖验证照片
4.结论
(1) 使用TST隧道层析系统、地质雷达及地质 资料多方法相结合，在灰岩地区进行地质超前预报
能有效地提高岩溶预报准确性，更为科学地为施工
作出指导性意见，确保施工安全。

(2) 本次研究使用的TST隧道地震层析成像系 统及地质雷达法均推测出研究段在XS1DK347+
800 -XS1DK347 +808的洞身范围内，以及
XS1DK347+793-XS1DK347+797 的左侧范围内，岩
溶中等发育，存在充填型溶洞或溶蚀裂隙发育带；
且地质雷达更精确地预报了岩溶发育长度。

(3) TST隧道地震层析成像系统预报结果虽与 实际地质发育情况较符合、预报结果较准确，但是
结合采用地质雷达短距离预报、地质调查资料以及
现场开挖验证等多方法、多手段综合判断隧道前方
地质条件也是非常有必要的。

[2] 李术才，刘斌，孙怀凤，等.隧道施工超前地
质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学
报，2014,33(6):1090-1113.
[3] 赵永贵.国内外隧道超前预报技术评析与
推介[J].地球物理学进展，2007(4): 1344-1352.
[4] 赵永贵，蒋辉，赵晓鹏.TSP203超前预报技
术的缺陷与TST技术的应用[J].工程地球物理学
报，2008(3):266—273.
[5] 冯兴龙，陈方明，谢冕，等.TST超前地质预
报技术在N-J工程中的应用[J].人民长江，2014,45
(1):66—68.
[6 ]谯勉江，莫裕科，刘洪炼，等.T S T技术在石
棉隧道超前地质预报中的应用[J].工程地球物理学
报，2009,6(2): 196-202.
[7] 胡兴，谢涛，赵永贵.TST技术在隧道围岩超
前预报中的应用[J].建筑技术,2009,40(9):849-851.
[8] 张卿，罗宗帆.TST超前地质预报技术在贵
州岩溶地区的应用[J].隧道建设，2012,32(3) :398-
403.
[9] 王胤.岩溶地区公路隧道施工中的超前地
质预报[D].长春：吉林大学，2008.
[10] 叶海兵.TST技术在隧道超前地质预报中
的应用研究[D].北京：中国地质大学（北京），2015.
[11 ]孙洪强.庄河隧道监控量测及超前地质预
报的应用[D].大连：大连理工大学，2015.
[12]谢霖.多源信息融合地质超前预报方法在
巨城隧道应用研究[D].北京：中国地质大学（北
京），2012.
[13 ]刘澜波，钱荣毅.探地雷达：浅表地球物理
科学技术中的重要工具[J].地球物理学报,2015,58
(8)：2606-2617,
[14] 白哲.地质雷达在隧道超前预报中的应用
[D].武汉：武汉理工大学，2006.
[15] 吴俊，毛海和，应松，等.地质雷达在公路
隧道短期地质超前预报中的应用[J].岩土力学，
2003(S1)：154-157.
[16] 谢昭晖，李金铭.我国探地雷达的应用现
状及展望[J].工程勘察，2007(11 ):71—75.
(本文收稿：2020-03-25)
8。