第５０卷第９期 ２０１４年９月 甘肃水利水电技术 ＧＡＮＳＵ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．５０．ＮＯ．９ Ｓｅｐ．，２０１４ ・设计与研究・ 浅谈综合超前地质预报技术在岩溶隧道中的应用 雍 袤 ，邓 辉 ，唐 印 ，孙典豪 （１．成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都６１００５９； ２．中国石油集团长庆油田第九采油厂地质研究所，宁夏银川 ７５００００） 摘要：在富水岩溶区进行隧道施工时，超前地质预报工作显得尤为重要。ＴＳＰ、地质雷达、超前地质钻孔法的预报组合 模式在中坝隧道中的应用，较准确地探测预报了隧道掌子面前方的地质情况，为隧道的安全施工提供了保障，对类 ４￣－Ｙ－程具有借鉴意义。 关键词：超前地质预报；ＴＳＰ；地质雷达；超前地质钻孔；岩溶隧道 中图分类号：Ｕ４５２．１ １ 文献标志码：Ｂ 文章编号：２０９５—０１４４（２０１４）０９—００１８—０４ １ 前言 我国有相当多的铁路、公路隧道都需要穿越岩 溶发育区．而岩溶发育区由于溶蚀作用可能导致隧 （主要是介电常数不同）界面时。一部分电磁波发生 透射透过界面继续传播，另一部电磁波反射回地面 被接收天线接收，在地下更深部位。电磁波同样发生 道施工过程中发生涌水、涌泥、涌沙、溶腔塌陷、围岩 坍塌、隧道变形等一系列地质灾害，所以岩溶发育区 的隧道超前地质预报工作也变得尤为重要［ ］。通过 对一岩溶隧道的采用３种不同的超前地质预报方 法，较准确地探测预报了隧道掌子面前方的地质情 况，为隧道的安全施工提供了一定的保障，对类似工 发射与透射．直到能量被完全吸收为止 ］。优点在于 地质雷达能准确探测前方的岩溶发育情况并且成本 较低，缺点在于探测次数较多，费时费力并且探测 距离较短 ］。本次采用设备为美国ＧＳＳＩ公司生产 的ＳＩＲ一３０００ ＧＰＲ地质雷达，天线频率为１００ ＭＨｚ。 ２．３超前地质钻孔技术 程具有借鉴意义。 ２综合超前预报方法的原理 ２．１ ＴＳＰ技术 超前地质钻探是利用钻机在隧道开挖工作面进 行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法，超 前钻探过程中应在现场做好钻探记录．包括钻孔位 置、开孑Ｌ时间、终孔时间、孔深、钻进压力、钻进速度 ＴＳＰ方法属于多波多分量高分辨率地震反射 法。地震波在设计的震源点（根据岩层或构造的走 向，通常在隧道的左或右边墙，大约２０个炮点）用小 量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界 面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信 随钻孔深度变化情况、冲洗液颜色和流量变化等。 超前钻探过程中要做好地质编录，及时鉴定岩芯、岩 粉，判定岩石名称，判别断层、裂隙、岩溶的发育程 度、规模及充填物质，并选择代表性岩 ¨Ｊ、充填物整 理保存。超前地质钻孑Ｌ属于直接探测法，具有较高 号反射回来．一部分信号透射进入前方介质。反射 的地震信号将被高灵敏度的加速度地震传感器器接 收并以数字形式记录下来。采集数据通过ＴＳＰｗｉｎ专 的可靠性，缺点是需要占用掌子面施工空间，周期 较长．成本较高，仅仅是一孔之见，难以形成面的概 念 。本次钻进使用的是ＺＧＹＸ４１０型液压行走潜孑Ｌ 钻车。 ３工程应用实例 用软件处理．便可了解隧道工作面前方地质体的性 质和位置及规模。本次采用ＴＳＰ２００型超前地质预 报系统进行了探测。 ２．２地质雷达技术 ３．１ 工程概况 地质雷达有２个天线，一个是发射电磁波的发 射天线．另一个是接收发射电磁波的接收天线。当 进行物探作业时，由置于地面的发射天线向地质体 发射高频电磁脉冲，当电磁波在地下遇到不同电性 收稿日期：２ｏ１４—０９一ｌＯ 中坝隧道进口里程为Ｄ９Ｋ５３＋６１５，…口里程 为Ｄ９Ｋ５７＋７１５．全长４ １００ ｍ．其中．Ｄ９Ｋ５３＋６ｌ５～ Ｄ９Ｋ５４＋８００为上坡段，纵坡率０．３％，Ｄ９Ｋ５４＋８００～ Ｄ９Ｋ５７＋７１５为下坡段，纵坡率一０．７３％，进口轨顶设 作者简介：雍１８ ・ 袤（１９９０一），男，四川邛崃人，硕士研究生，主要研究方向：岩土工程，Ｅ—ｍａｉｌ：３７８００８９２９＠ｑｑ．ＣＯＢ ・ 第９期 雍袤，等：浅谈综合超前地质预报技术在岩溶隧道中的应用 第５０卷 计标高为７１９．７９ ｍ，出口为７０１．５６ ｍ，隧道最大埋深 约４０９ ＩＴＩ。隧址区洞身局部地段有公路通过，进、出 口附近均有乡村土路通过，交通条件较好。 掌 研究区内构造条件较为简单，未见断裂构造体 通过，受北侧龙爪坝向斜的影响，处于核部转折端的 单斜地层局部发育小型揉皱和变形，分别向ＮＥ和 ＮＷＷ向展布。层面在隧道进Ｅｌ处多变，其他大部分 以２２ｏ缓倾角为主，围岩以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主，节理 裂隙成组发育。 ３．２掌子面地质编录 探测掌子面里程为Ｄ９Ｋ５５＋２３０，围岩为三叠系 下统嘉陵江组（Ｔ。ｊ）灰色白云质灰岩，岩体较为稳定， 强度低．层状结构，层面产状：ＮＥ７０。ＮＷ ２５。；发育 两组节理。Ｊ１：ＮＷ１５。ＳＷＬ８０。，间距约１．２ ＩＴＩ，延伸 长约６．０ ｍ：Ｊ２：ＮＥ５２。ＳＥ ７０。，间距约０．８ ｎｌ，延伸长 ４．０～５．０ １ＴＩ，掌子面湿润，下部有明显渗水点，距离掌 子面５０ ｃｍ的底板上面有明显突水现象，推测掌子 面前方岩层可能出现溶腔。掌子面具体情况详见 图ｌ。综合以上特点，现场判别掌子面围岩类别为Ⅳ 级 ／ｉｎ 图１掌子面地质素描 ３．３ ＴＳＰ预报结果分析 探测掌子面里程桩号为Ｄ９Ｋ５５＋２３１。根据现场 施工情况，围岩较差，以Ⅳ级围岩为主。易塌方、易掉 块。接收器布置于桩号Ｄ９Ｋ５５＋１５３，设计２０炮，位 于隧道右边墙：１个接收器位于隧道右边墙接收数 据，布置方案见图２，观测系统组成见表１。 根据图３，对ＤＫ５５＋２３１～ＤＫ５５＋３０１范围内的 波形分析．同时根据勘察设计资料、掌子面和侧壁地 质调查、地质雷达探测结果及ＴＳＰ波形解译，对 子 面 接 图２观测系统示意 表１观测系统详细信息 Ｄ９Ｋ５５＋２３１～Ｄ９Ｋ５５＋３０１范围内的围岩情况进行分 析，波形分析（图３）和围岩解译结果以及相应的地 质推测见表２。 表２ ＴＳＰ探测波形分析 里程 长度／ｍ 地质推测结果 掌子面里程 ／ｍ Ｄ９Ｋ５５＋２３１ ＳＥ１５５￣已开挖 三 ／／／／／／＿＝）ｌ ２ｆ 基 ／ ／△ ＾ Ａ ／ ／ 图 围岩 破碎岩体 目岩溶发育区 例 裂隙含水岩体 岩溶较发育区 图４ ＴＳＰ探测地质推测图 ・ １９・ ２０１４年第９ ｊ９ｊ ｝ｆ甫水利水电技术 ５（）卷 篙器 ｌ 一 一●●∞ ｒ —Ｌ—Ｉ Ｉ Ｌｆ—’’’ ‘。 。。—一 ｌ 一 一嚣 ｒ１ ｒ＿１ 御 —１－———ｒ———＿ｒＬ一 一ｒ＿１ ｎ ｎ ｒ＿Ｊ ｕ］，一－＿ｕ 。● 一ｒ—１ ｒ１．——Ｊ１ ——－＿Ｊ 鬟 “ －ｌ５ 拍 翻 ｌ∞ ～ ｎ一 。Ｕ ｕｒ＿１＿ｊ］ —— Ｌ＿｜ ｎｉｌ 蕾零精 ｔ － 丌一九 。Ｕ Ｕ 一 图３ ＴＳＰ二维结果示意 ３．４地质雷达预报结果分析 对进口Ｄ９Ｋ５５＋２３ｌ～Ｄ９Ｋ５５＋２６１进行＿ｒ地质雷 达预报，洲线布置于掌子面上，长度约３．２ ｍ，距离隧 底约Ｉ．５－ｎ．测试方向从左到右．地质雷达波形见同 ５．详细解译结果 表３ 、 该范同内反射 波振幅较强．频率较 高．同相轴连续，椎 测该范嗣内岩体较 为破碎，为爆破影响 所造成的松动区 ３．５超前地质钻孔预报结果分析 超前地质钻孔共布置 ｒ ３个．垂直掌子面水平 钻进（ ｌ 、２ 、３ 钻孔Ｉ—ｊ水 面夹角为ｏ。），孔深皆 为３０ ｍ，孔 ０．０７５ ｍ，钻孔布置情况如图６所爪。 钻孔编录结果表叫，ｌ 、２ 、３ 孑Ｌ均为岩石，ｌ 钻 孔完孔以后涌水世很大，水平射距达到６ ｉｎ以上：２ ￣ｄｉ－ｆＬ完孔后水平射 达到５ ｍ左右 但出水量较小： ３ 钻孔整个钻进过 ｒ｝１爪 水 ．１ 、２ 、３ 孑Ｌ钻深３０ Ｉ１１ 为 硬綦 ，均未 溶腔 根据１ 钻孔编录及 孔内成像资料综合分析ｒ ｒ得 超前地质钻孔解译结 果（表４） ２（）・ 泼范同内反射波振幅较强．频率较高．同相轴较为连续， 波形比较均～，结合掌 面情况判断为明强的富水带，Ｈ含 水带分带｝匕较均匀、推测此处节理裂隙非常发育ｎ 理裂隙 透水性良好，为媳 的裂隙破碎带 图５地质雷达波形 ・ 第９期 雍袤，等：浅谈综合超前地质预报技术在岩溶隧道中的应用 第５Ｏ卷 表３地质雷达解译结果 里程 长度，ｍ 地质推测结果 ｌ＿＿ —Ｉ＋ ｌ－．— — ， 图６水平超前钻孑Ｌ布置 表４超前地质钻孔解译结果 里程 长度，ｎｌ 地质推测结果 ３．６开挖揭露对比 隧洞开挖后揭露发现，Ｄ９Ｋ５５＋２３７～Ｄ９Ｋ５５＋２４８ 段同岩节理裂隙较少．弱风化，总体呈现次块状结 构，围岩完整性较好，但也可见线状流水从掌子面、 拱顶渗出。这与ＴＳＰ、地质雷达推测的地质情况大体 一致，现场确定为Ⅲ级围岩。钻爆开挖至Ｄ９Ｋ５５＋ ２５０里程时发生了涌泥事故，掌子面坍塌严重，大量 黄褐色泥质物从掌子面前方涌出，将工作台车部分 掩埋，涌泥方量大约为２０ ｍ ．依据地质雷达探测结 果推测：Ｄ９Ｋ５５＋２４６～Ｄ９Ｋ５５＋２６１段可能存在溶腔． 因此，施工单位提前作了超前支护等相关预防工作． 及时地撤出了施工人员，有效保证了施工安全。清 理完涌泥后发现坍塌处的掌子面岩体破碎．节理裂 隙极发育，局部地带已经蚀变为高岭土，罔岩整体呈 现散体状结构，自稳能力极差．这与超前钻孔编录结 果基本一致。 ３．７不同探测方法的比较 根据实际工程经验．ＴＳＰ成本主要是每次使用 价值数千元的套管以及人工费用：地质雷达使用的 成本主要为人工费用（电池成本较低）；超前地质钻 孑Ｌ由于造孑Ｌ施工时间较长，而且需要专用的凿岩台 车及相关设备，并且影响施工进度，总成本最高。因 此．单位长度段地质预报：超前地质钻孑Ｌ法成本＞ ＴＳＰ法成本＞地质雷达法成本。从每次预报预测长度 比较，ＴＳＰ可达１５０ ｍ，而地质雷达和超前钻孑Ｌ仅仅 为３０ ｒｎ以下。从预测优势比较，ＴＳＰ法对于断层破 碎带、裂隙密集带预报效果很好：地质雷达法对于岩 溶地带、溶腔预报效果显著：超前地质钻孑Ｌ法对于岩 溶以及地下水情况反映最为直接真实并可以在一定 程度内减弱或消除突泥、涌水的隐患。 ４结论 随着隧道工程的增加，可能遇到的复杂地质条 件的区域也越来越多，单一的预报方法预测准确率 往往较低，难以得出较理想的预测结果，因此，科学 制定地质预报方案，采取中长期与短期预报相结合， 采取地质雷达＋ＴＳＰ＋超前钻孔相结合的预报模式， 多种方法相互印证、补充。通过信息反馈不断改进和 选择预报方法，使预报方法优化组合，方能有效提高 综合超前地质预报的准确率 ｊ。 实践证明．对于岩溶发育区隧道的超前预报技 术．应根据地质勘察资料，针对地质状况较好的区域 使用隧道地质分析法＋地质雷达进行预报；针对地 下水较发育、溶腔较发育的区域使用地质分析法＋地 质雷达＋超前地质钻孔进行探测：针对前方岩体较为 破碎、坍塌严重、围岩等级较高、可能有断层破碎带 以及断裂带的区域，采用地质分析法＋地质雷达＋ ＴＳＰ＋超前地质钻孔法进行预报。 （下转第３３页） ・ ２１ ・ 第９期 刘 渭：神树蓄能电站溢洪道设计 第５０卷 ２．４结构计算 （１）闸室稳定计算 表５闸室基底应力计算结果 溢洪道闸室直接和库区相连，其荷载组合分为 基本组合和特殊组合，荷载计算组合依据ＳＬ ２５３— ２０００（（溢洪道设计规范》，计算结果见表４所列。 表４闸室抗滑稳定安全系数计算结果 表６泄槽基底面抗滑稳定安全系数计算结果 经计算，溢洪道闸室抗滑稳定满足规范要求。 闸室基底应力验算根据ＳＬ ２５３－２０００《水闸设 计规范》进行，计算结果见表５所列。 ， 经计算，溢洪道闸室基底应力满足规范要求。 （２）泄槽稳定计算 溢洪道泄槽基础均为弱风化或新鲜岩体，荷载 计算组合依据ＳＬ ２５３—２０００《溢洪道设计规范》，结 果见表６所列 足规范要求。 由于溢洪道泄槽部分右侧墙进入坝体，故对本 部分需对墙体抗滑稳定、抗倾覆稳定及地基应力进 行计算，结果见表７所列。 根据计算，泄槽抗滑稳定安全系数计算结果满 表７泄槽侧墙稳定及应力计算结果 由表７可知，泄槽侧墙稳定及应力满足规范要 参考文献： ［１］丁昭佐，沈宽勇，简士洋．某小型水库溢洪道设计［Ｊ］＿黑 求。 ３结语 溢洪道在水利水电工程中有着广泛的应用．通 过对神树蓄能电站溢洪道的工程布置、结构设计、水 龙江水利科技，２０１４，４２（１）：２５—２７． ［２］李炜冰力学计算手册［Ｍ］．第２版．北京：中国水利水电 出版社，２００６． ［３］申慧．浅议山区水库溢洪道设计［Ｊ］．内蒙古水利．２０１４，３ （２）：３３—３４． 力学计算及结构计算做了详细的介绍，对其他工程 具有参考作用。 ，［４］王艳娇．爱辉区转心湖水电站溢洪道设计［Ｊｊ．黑龙江水 利科技，２０１３，４１（４）：１７—１９． 驴 、驴、驴 （上接第２１页） 参考文献： ［１］张倬元，王士天，王兰生．工程地质分析原理［Ｍ］．北京： 地质出版社，１９９４． ［３］蒋正波，高美奔，阴红宇．隧道断层带中超前地质预报方 法［Ｊ］．甘肃水利水电技术，２０１３，４９（１）：３０—３２． ［４］郭振，吴钟腾，高利建．综合超前地质灾害预报方法在 牟尼沟隧道中的应用［Ｊ］．甘肃水利水电技术，２０１２，４８ （１２）：１８—２Ｏ． ［２］曹泉水，刘立，沈胜强，等．综合超前地质预报技术在巴 朗山隧道施工中的应用［Ｊ］．西华大学学报：自然科学 版，２０１４。３３（３）：９５—９９． ［５］朱永波，曾明辉．ＴＳＰ地质超前预报在长大隧道施工中 的应用［Ｊ］．内蒙古公路与运输，２０１３，１９（６）：１５—１７． ・ ３３
