超前地質預報在水下隧道中的應用

汪宏兵 鄭揚碩

摘要：隧道施工多存在地質條件復雜，施工安全風險高，常常出現突水、突泥、巖層破碎、掉塊等現象，為保證隧道的順利施工，避免危險因素的發生，確保隧道施工安全，需要采取有效措施對水下隧道地質情況進行較為準確的預測預報，根據隧道的具體情況，判定超前地質預報內容并納入工序管理之中。好溪水下隧道通過對地質素描、TGP超前地質預報、超前鉆探和紅外探水等方法的應用，對預報中的不良地層提早采取措施，從而有效的降低施工風險，加快施工進度，確保隧道安全、順利的貫通。

關鍵字：超前地質預報、水下隧道、不良地層、施工安全

中圖分類號： U45 文獻標識碼： A

0.引言

隧道施工中往往會面臨地質條件復雜多變，盲目施工易造成突水、突泥和塌方等安全事故。所以，在隧道施工中要及時進行超前地質預報工作，對不良地層采取有效措施。準確而有效的超前地質預報工作，不僅可以安全順利通過不良地層，而且節省大量成本，加快施工進度，在隧道施工中應用越來越廣泛。

根據好溪隧道地質勘查資料，考慮到水下穿越隧道存在重大安全隱患，故對其采用地質素描、TGP超前地質預報、超前鉆探和紅外探水等預報方法，旨在確保好溪水下隧道安全、順利貫通。

1.工程概況

金麗溫輸氣管道起自與西二線上海支干線金華分輸清管站毗鄰建設的金華首站，途經浙江省金華市、麗水市，終止于溫州市甬臺溫輸氣管道溫州末站。好溪隧道為金麗溫輸氣管道管工程隧道工程B標段唯一一條水下穿越隧道，全長1325米，其中：斜巷（481.67m,-20.0%）+25m平巷+斜巷（119.52m,-20.0%）+平巷（186.80m，+0.5%）+平巷(118.6m,-0.5%) +斜巷（384.72m,+20.0%）。隧道將穿越好溪約260米，根據物探判斷可能存在節理裂隙密集帶F1，破碎帶結構面雜亂無序，呈碎石、泥土狀，巖體極破碎，呈散體狀結構，碎石角礫狀結構。硐室自穩能力較差。節理裂隙帶地下水發育，開挖時隧道內可能出現較大規模涌水。施工過程中采用地質素描、TGP超前地質預報、超前鉆探和紅外探水等方法對其進行預測分析。

2.地質素描

地質素描預測法分為巖層巖性及層位預測法、條帶狀不良地質體影響隧道長度預測法以及不規則地質體影響隧道長度預測法三種。

對開挖后已揭露出的巖層進行地質素描（觀察巖石的礦物成分及其含量，結構構造特征和特殊標志），給予準確定名，測量巖層產狀和厚度。測量該巖層距離已揭露的標志性巖層或界面的距離，并計算其垂直層面的厚度。將該巖層與地表實測地層剖面圖和地層柱狀圖相比，確定其在地表地層（巖層）層序中的位置和層位。依據實測地層剖面圖和地層柱狀圖的巖層層序，結合TGP探測成果，反復比較分析，最終推斷出掌子面前方一定范圍內即將出現的不良地質在隧道中的位置和規模。

施工過程中，每月一次由地質工程師對開挖揭露的隧道巖層進行地質素描，內容包括掌子面正面及側面穩定狀態、巖層產狀、巖性風化程度、節理裂隙發育程度（產狀、間距、長度、充填物、數量）、噴射混凝土開裂、掉塊現象、涌水情況、水質情況、水的影響、不良氣體濃度等。同時定期對地表水文環境進行觀測和監測記錄，及時了解隧道施工對地表水的影響，確定施工控制措施，最終做出掌子面地質素描圖和洞身地質展示圖。（如圖一）

圖1編錄圖

3.TGP超前地質預報

隧道地震波超前預報原理是利用地震反射波和繞射波原理，對隧道掌子面前方的地質條件進行探測。由震源產生的地震波向隧道前方傳播的過程中，遇到巖體中相對大的聲阻抗界面會產生反射波，遇到相對小的聲阻抗界面會產生繞射波，統稱為地震回波。利用設備采集隧道圍巖中界面的地震回波，通過專業處理系統提取回波的界面位置、空間分布、回波極性和回波能量等信息，并結合隧道地質勘察資料綜合分析，實現隧道地質超前預報目的。

現場需要采用三分量檢波器實現空間地震回波的矢量檢測和縱橫波采集，保證處理系統利用多波多分量進行全波震相分析和極化波計算，獲得2維和3維空間的偏移歸位圖、斷面掃描圖，獲得界面回波位置和界面空間分布，以及界面間巖體性質等預報資料。

數據采集工作包括：激發孔和接收孔的布置、藥卷同步信號制作、洞內基礎數據的采集、接收探頭安裝和儀器采集參數設置5個內容。

①激發孔和接收孔的布置：激發孔的孔徑為42mm，選擇在構造界面與隧道夾角小的一側洞壁，離掌子面5～10米開始，高度1.2米左右，以2米間距連續布置18個。之后退20米在隧道左右洞壁的相同里程各布置一個孔徑為50mm的接收孔。接收孔與激發孔深度為2米，接收孔為水平孔，激發孔略向下傾以方便注水。

②藥卷同步信號制作：炸藥激震的同步信號采取開路觸發方式，即爆炸的同時觸發儀器采集，保證地震波信號的時間精度。藥量控制在100克，各孔藥量一致，采用導爆管連接，同時把導線綁扎在炸藥上。

③洞內基礎數據的采集：需要對提前施工好的各個孔位進行量測，得出需要用到的基礎數據，并按要求對其驗收。同時詳細記錄巖體的工程地質和水文地質特征，認真填寫《TGP現場數據記錄表》。

④接收探頭及炸藥安裝：提前準備好的黃油放入接收孔內，再把接收探頭采用定向工具捅入孔內，與黃油充分耦合，有利于提高接收信號的信噪比。

⑤儀器采集參數設置：根據現場采集的數據對儀器進行基礎設置，待完畢后進行試驗。見圖2、圖3。

圖2 TGP儀器

圖3 TGP超前地質預報現場工作示意圖

通過以上數據采集步奏，經過逐個爆破后接收探頭接收數據存入電腦，依據處理軟件對其進行有效、準確的數據處理，從而得出掌子面前方150米范圍內存在的不良地層，并結合其他預報手段，為施工提供超前預報資料，做到規避風險，提高效益。以下是好溪隧道測得的數據（如圖4、圖5、圖6）

圖4 原始記錄

圖5 綜合成果圖 圖6 切片圖

該段預測樁號為K0+620～K0+770，從數據分析可以得出，樁號在K0+646～K0+671，K0+678～K0+694，K0+706～K0+770范圍內比速度明顯下降，較之已開挖揭露的圍巖明顯變差，可能存在局部滲漏水現象，圍巖破碎，可能存在較大斷層，需要對這三段圍巖進行必要的臨時支護。所以，在實際施工中我們對該段圍巖尤為重視，以此結果來指導施工。

然而，從實際開挖揭露的圍巖情況看，基本與TGP預報結果相符合，可以看出預報結果較為準確，對指導施工具有重要意義。

4.紅外探水

超前地質預報中地質素描和TGP超前地質預報對隧道施工含水體的探測存在不足，而好溪水下隧道的其中一項重大危險源便是水。所以，在此隧道施工時，有必要采取紅外探水的預測方法對隧道洞身進行含水體的探測，從而能提前做好施工安排，降低安全風險。

因為地下的巖體、水體每時每刻都在向外界發射紅外波段的電磁波，形成紅外輻射場，而物體的紅外輻射能量與其溫度的四次方成正比，當探測前方存在不良地質情況（斷層水、巖溶水）時，其與周邊巖石的溫度有一定的差異，所以紅外探測儀就是根據紅外輻射能量的差異來推斷前方不良地質體的情況。因此通過對采集到的紅外場強度數據進行分析，就可以全面準確預報隧道前方的不良地質體，尤其是含水體。

紅外探水通常采用兩種方法：①在掌子面上布點，通常布置4行5列探點，計算出每一行和每一列中任意兩數值間的最大差值，正常輻射場的安全值可通過多次探測確定，當最大值超出安全值范圍時，說明前方存在災害源（如圖7）。②由掌子面向隧道已開挖部分的邊墻、拱頂和底部布點。在掌子面的后方已開挖的邊墻、拱頂和底部，巖隧道軸線方向布設點距為5m左右4-6條側線，測線長度30m以上，然后將所測數據繪圖，判斷掌子面前方地質信息（如圖8）。

圖7圖8

針對上述兩種方法進行隧道內數據進行采集，通過獲得的數據進行詳細分析，并繪制相應圖表、曲線從而得出需要的預報結果。紅外探水旨在隧道前方預測是否含有水體，以此來對實際施工提出警示，從而采取相應安全措施以保證施工安全，同時體用超前鉆探的方法來對其進行印證。以下為好溪隧道紅外探水所得的結果（如圖8、9、10）。

圖8 紅外探水儀

圖9掌子面紅外探測曲線圖圖10沿軸線方向紅外探測曲線圖

表1 探測結果與實際情況對照表

預報樁號 探測情況 實際情況

K0+170～k0+190 最小數值在起拱以下，差值達到13Trad。結合地質報告K0+180附近有斷層，推測前方可能有含水構造。 在K0+185鉆孔時，有壓水從孔內噴射而出，水量達到15~20m3/h。

K0+180～K0+210 最小值在起拱上上部，差值達到12Trad。結合地質報告關于斷層的產狀分析，滲水隨著掌子面開挖而移動。 在開挖過程中，滲水隨著掌子面移動，一直到K0+200才固定在K0+205附近。

通過對紅外探水所獲得的數據進行分析比較，推測得出K0+180附近有斷層，可能有含水構造，與實際開挖中所以到的滲水位置相對應，從而說明紅外探水對隧道掌子面前方是否含水基本能準確探明，對實際施工具有指導意義，需要在以后施工中加入正常施工工藝中，以提高隧道施工安全性。

5.超前鉆探

地質素描、TGP超前地質預報和紅外探水均是對隧道地質情況的一種預測，并非實際準確情況，僅僅能為施工提供一種參考作用，而采用超前探孔進行隧道施工期掌子面前方地質預報是隧道施工期地質超前預報方法中最直接的方法。其通過鉆孔鉆進速度測試和所采取的鉆孔巖芯的觀察及相關試驗獲取隧道掌子面前方巖石(體)的強度指標、可鉆性指標、地層巖性資料、巖體完整程度指標及地下水狀況等諸多方面的直接資料?？梢詫σ陨先N方法預報的不良地層進行復核、檢驗。從而為施工提供真實、可靠的技術支撐。

在好溪隧道鉆孔超前探測中，鉆孔孔徑為100mm，鉆孔深度達到20～30米，工作時間大概在3小時左右，準確探測前方圍巖的地址情況。對預報分析中存在的不確定因素進行詳細探測，直接揭示掌子面前方地層情況。同時在施工過程中可以采用長短鉆孔相結合的方式進行探測，根據預報及探測的結果，分析判定圍巖的級別，決定是否采取預注漿或超前支護、加強支護等措施。也可近距離超前探測，即加深炮眼深度，利用一兩個5米深度的炮眼來探測短距離的地質情況。

6.結論

水下隧道施工，最怕的便是地層條件不好導致的涌水。所以，在施工過程中進行超前地質預報成為了至關重要的一個環節。然而進行單一的一種預報手段往往還不能得到想要的成果，都存在著某一方面的短板，如TGP超前地質預報不能預報含水層，紅外探水預報的位置不準確并且距離短，地質素描人為因素影響較大等等。所以，在水下隧道施工中，應盡量使用多種預報手段對地質情況進行觀測，從而降低地質情況不好所產生的安全風險。

所以，在進行好溪水下穿越隧道爆破開挖過程中，使用了地質素描、TGP超前地質預報、超前鉆探和紅外探水等4中預報手段對地質情況進行預報分析，得到了準確而詳實的地質情況報告，從而成功穿越了多條斷層和漏水地段，使得過江過程安全、平穩。保證了好溪隧道安全順利的貫通。

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