超前地质预报在大相岭隧道施工中的应用

超前地质预报在大相岭隧道施工中的应用王晓川1，卢义玉1，夏彬伟1，葛兆龙1，左伟芹1（1.重庆大学资源及环境科学学院，重庆400030)摘要：深埋长大隧道工程地质条件复杂多变,盲目施工易造成突水、突泥和塌方等安全事故。超前地质预报技术作为隧道勘察结果的进一步详实，在隧道施工减灾、防灾方面发挥着重要的作用。以大相岭隧道为工程背景，针对该隧道复杂的地质条件，采用TGP206超前地质预系统及宏观微观相结合的预报分析方法，可以有效的提高对不良地质体的预报效果，通过预报结果与实际揭露的对比分析，其预测精度达到95％以上，有效地指导了隧道的安全施工，为同类工程提供技术资料和经验借鉴。关键词：地质预报；隧道；不良地质体；安全施工中图分类号：U45文献标识码：AApplicationofgeologicpredictionaheadinDaxianglingtunnelWANGXiaochuan1，LUYiyu1，XIABinwei1，GEZhaolong,ZUOweiqin1(1.CollegeofResourceandEnvironmentalScience，ChongqingUniversity，Chongqing400030，P.R.China；)Abstract:Thedeepburiedlargetunnel,whichiscomplicatedinthegeologic.Roughconstructionoftentriggersorproducesaccidents,suchaswaterflush,mudinrush,collapseetc.Geologicalpredictionasthefurtherrealizationandsupplementoftunnelprospectisimportanttosubtractandpreventhazard.TakingtheDaxianglingtunnelastheexample,thepaperpredictsthecomplexgeologyinthetunnelbytheTGP206andanalyzesthegeologyfromthemacroandmicro.Theresultshowthatthiswayofresearchcanimprovetheeffectofthepredictionforunfavorablegeologyandtheprecisioncouldreachto95%bycomparingtotheactualgeology.Then,thewayprovidesanewideaforthesafetyofthetunnelconstructionandtechnicalinformationandtheexperiencetothesimilarprojects.Keywords：geologicalprediction；tunnel；unfavorablegeology；constructionsafety引言近年来，随着隧道建设逐渐向“长、大、深、群”方向发展，施工中有可能出现如岩石破碎带、富水区、溶洞、断层等地质灾害的，单靠传统的预测预报手段已经难以满足需要。在隧道勘察设计阶段，勘察单位一般都是通过区域地质资料、地表测绘和少量钻孔等手段获得隧道和地下工程的工程地质资料，鉴于隧道处于不同深度，其工程地质环境和水文地质条件千差万别，并且由于技术、经济以及人们的认识水平等原因，仅靠勘察资料进行施工，具有一定的不确定性，工作精度也只能在总体上满足设计要求，不可能详尽地了解隧道中所有的工程地质问题。为了避免或者减少隧道施工地质灾害问题的发生，更好的实现快速安全施工，工程物探手段进行超前地质预报应运而生[1-3]。我国隧道施工地质超前预报研究始于20世纪50年代，但真正应用于隧道及其它地下工程建设是在70年代，隧道施工地质超前预报要解决的问题主要包括断裂、溶洞、破碎带等不良地质现象的性质、规模的判定以及不良地质体位置、产状的确定，超前地质预报不仅是施工安全的需要，又可为即将开挖的不良地质体的超前支护提供科学依据，从而为动态设计提供理论性指导[4-12]。收稿日期：基金项目：国家自然科学基金委专项创新研究群体基金项目（50621403）；重庆市杰出青年基金（CSTC2009BA6047）作者简介：王晓川（1983.1-），男，重庆大学博士研究生，主要从事高压水射流技术在地质灾害防治方面研究1.隧道超前地质预报概况与主要技术手段1.1隧道超前地质预报概念隧道超前地质预报包括广义隧道超前地质预报和狭义隧道超前地质预报：广义的超前预报包括隧道设计初期地勘单位提供的粗勘资料和动态施工中得到的更详细的物探资料，狭义的超前预报仅仅是指施工时物探到的隧道洞体不良地质体预报资料[13]。广义隧道超前地质预报，主要包括隧道所在地区不良地质的宏观预报（即粗勘资料）、隧道洞体不良地质体超前预报(即狭义隧道超前地质预报)和隧道洞体施工地质灾害警报。一般说来，平时所讲到的地质超前预报都是指狭义的地质超前预报，狭义的地质超前预报按照预报距离的远近又可以分为长期(长距离)超前地质预报和短期(短距离)超前地质预报。长期超前地质预报是在隧道所在地区不良地质分析和宏观预报的基础上进行的，其主要任务是较准确地预报掌子面前方100m或更远距离范围内的主要不良地质体的性质、位置和规模，粗略地预报围岩的级别和地下水的情况。短期超前地质预报是在长期超前预报的基础上进一步开展的预报工作，所以短期超前地质预报的主要任务是在掌子面前方15～20m、最多30m范围内更准确地预报可能出现的岩层、已经临近的不良地质体的性质、地下水体的可能性质、掌子面及其附近实见的不良地质体向掌子面前方延伸的情况和围岩的级别，其精确度较高[13-15]。1.2隧道超前地质预报的技术手段目前，常用的隧道长期(长距离)超前地质预报方法主要有地面地质调查法，断层参数预报法和TRT、TSP、TGP、HSP等仪器探测方法；常用的隧道短期(短距离)超前地质预报的方法主要有掌子面编录预测法，不良地质前兆法和地质雷达、红外线超前探水等仪器探测法及超前钻探法。各种预报手段和方法都有其各自的适用范围和特点，其中TSP与TGP超前探测是目前预报距离最长、适用范围最广、预报效果最好的超前预报手段和方法，但对于地质灾害比较严重的，预报精度要求比较高的特殊地段，这两种物探手段就暴露出不足之处，如都可以预报富水带的存在，但不能预报地下水体的性质；可以预报围岩的相对好坏，但不能准确预报围岩的级别。对于短期预报就不存在这些问题了，由于预报距离较短一般为掌子面前方15～20m以内，最大距离也不超过30m，国内普遍使用的地质雷达、红外线超前探水仪和超前钻孔等手段可以把上述问题解决。所以在预报实践中，要以长期预报为主，辅以短期预报手段，要两种或两种以上方法和手段综合运用，以达到取长补短、相互验证、提高预报效果的目的[15-17]。2.工程概况大相岭隧道位于四川省雅安市荥经县与汉源县交界处，是雅泸高速路上关键性控制工程,隧道左洞总长9962m，右洞总长10007m，设有两个通风斜井，左线斜井长1496m，右线斜井1511m，是目前全亚洲第二长的公路隧道，隧道最大埋深近1700m，是目前国内罕见的大埋深公路隧道，隧址区位于四川盆地与青藏高原过渡的盆地边缘山区，位于大渡河与青衣江两大水系的分水岭地带，地貌分区属于峨眉山～大相岭深切割高中山区，横穿大相岭背斜。隧址区位于大相岭背斜近SN向的中段。背斜核部大面积出露下震旦统苏雄组火山岩构造，构成大相岭背斜主体。大相岭背斜是一个核部隆起高、出露宽，两翼变形强烈、倒转、出露狭窄，并且被保凰断裂和曹大坪断裂切割并限定的背冲式“Ω”形隔挡式翻卷褶皱(见图1)。图1大相岭背斜的构造形式隧址区地处四川盆地，属亚热带季风湿润气候与青藏高原大陆性干冷气候的交界地带，该地区的降水非常的丰富，大相岭迎风面也成为全国降水最多的地方，据设计地勘资料显示整个隧道正常涌水量26600m3/d。受地质构造的影响，大相岭背斜核部两侧的保凰断裂和曹大坪断裂附近是强变形集中带，地貌形态明显受构造和岩性控制,具带状展布特征,以褶皱构造为骨架,形成北东向山脉和纵向河谷相间,兼有岩溶洼地和峡谷地貌景观,河流峡谷切割较深,相对高差达2100m，受背斜构造和大埋深的影响，隧道经过区域内发育较多横张断裂，局部岩石风化极为严重，裂隙发育，在大埋深地段伴有岩爆，加上隧区内降水丰富，涌水，突泥，岩溶等地质灾害遍布全区，做好超前地质预报是一项很重要的任务。3.TGP206工作原理及方法3.1工作原理本次探测使用TGP206隧道地质超前预报系统(TGP即TunnelGeologyPrediction的英文缩写,以下简称TGP206)是北京市水电物探研究所专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制开发的系统设备,TGP206隧道超前地质预报系统由仪器主机、配件和处理软件三部分组成。探测原理是利地震波的反射原理。地震波由小药量炸药激发产生。地震波在岩石中以球面波形式传播,当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时,例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等,一部分地震信号透射进入前方介质继续传播，一部分地震信号反射回来,反射的地震信号被高灵敏度的地震检波仪接收。根据信号返回的时间和方向,通过专用数据处理软件就可以得到得到清晰的反射波图像。通过对反射波特征的分析,如发射与反射之间的时间差、相位差、反射信号强弱、纵波与横波的比率等,并结合区域地质资料、跟踪观测地质资料就可以确定隧洞前方及周围区域地质构造的位置和特性。系统工作原理见图2。图2隧道地震反射波探测原理3.2测线布置预报检测时在隧道左或右壁(面向大里程桩号方向，一般是按左线靠左，右线靠右的原则布置)的同一水平线上从掌子面向外布置24个炮孔和两个检波器钻孔，一般距掌子面10m左右开始布炮孔,炮孔间距2.0m,炮孔高度1.2m，孔深1.5m，略向下倾斜10°,以保证注入的水不外泄;然后与炮孔最近距离20m处两壁布置预报接收检波器孔,接收孔深度一般为2.0m,孔径50mm，接收孔距掌子面76m左右，安装检波器时向接收孔底部注入适量的黄油，以利于检波器与孔壁较好耦合，并用黄油将孔口密封,以减少噪声的影响。检测时应准备50～70克炸药24段,电雷管20枚,起爆器一个,注水胶管一条,起爆电缆50m。布置形式见图3图3TGP型隧道地质超前预报探孔测布置3.3工作方法准备工作完成后,将炮线及触发线与主机连接,派有经验的炮工将制作的小药卷送至探测孔底(炸药选用防水的硝胺炸药,将每管切两段,每段插入瞬发电雷管,并用透明胶带将其裹实粘牢),然后注水灌满炮孔,再将电雷管与起爆器连接起爆采集数据,数据存盘后完成一次数据采集。按照上述操作步骤从里至外依次进行采集。在采集数据时，详细记录采集炮孔的爆破质量（包括未爆炮孔的数量及位置），并对测线布置段至隧道掌子面间的隧道围岩进行详细记录。将采集完的数据进行整理后，通过数据分析软件进行数据处理。处理流程见图4图4数据处理过程①记录编排②预报采集参数输入③接收幅度调整整④接收非正常调整整⑥回波提取⑤纵横波的分离、速度参数计算⑦隧道通道波清除⑧反射波相关拾取偏移⑩隧道地质超前预报成果图⑨绕射波相关拾取偏移4．工程实例以大相岭隧道右线进口YK54+574～YK54+724段为例，进行预测分析。该地段位于大相岭背斜东翼，岩层走向近南北向，位于F3断层的破碎带上，上盘苏雄组流纹岩及安山岩；下盘为澄江期中粗粒似斑状钾长花岗岩和苏雄组流纹岩及安山岩。上下盘岩层均向东倾。断层碎粉带宽2～5m，发育劈(片)理化构造角砾岩和初碎裂岩，结构较松散，劈(片)理产状(倾角)较陡，与主断面斜交。上下盘断层影响带宽20～30m，发育破裂岩或破裂岩化岩石。本次预报地段掌子面位于右线YK54+574里程处，严格按照上述布孔方式进行布孔和数据采集，实际放炮23炮，报废1炮，采集到数据的22炮，采集波形清晰，有效波形超过最低限，此次