第９卷第１期 工往 球物理告旅 Ｖｏ１．９，Ｎ０．１ ２Ｏ１２年１月 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳ Ｊａｎ．，２０１２ 文章编号：１６７２—７９４０（２０１２）Ｏ１一Ｏ０Ｏ１—０４ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７９４０．２Ｏ１２．０１．００１ 复杂岩溶隧道中地质超前预报的综合应用 阳跃朋，陈秋南 （湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭４１１２０１） 摘 要：六郎隧道位于云南省丘北县腻脚镇、新店乡境内，进口位于腻脚镇腻革龙村，出口位于新店乡牛场 坪村。地质条件比较复杂，地下水较丰富，溶洞发育，施工中经常遇见大型溶洞。给施工带来居多不便，结合 Ｉ ＴＤ一２０００地质雷达和ＴＳＰ２０３一Ｐｌｕｓ的工作原理、技术特点，采用ＬＴＤ一２０００地质雷达和ＴＳＰ２０３一Ｐｌｕｓ 预报掌子面前方的地质情况，及时修改设计和施工方案，确保隧道的安全施工。 关键词：岩溶隧道；地质雷达；ＴＳＰ；地质超前预报 中图分类号：Ｐ６３１ 文献标识码：Ａ 收稿日期：２０１１—１１ １７ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｏｒｅｃａｓｔ ｔｏ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｋａｒｓｔ Ｔｕｎｎｅｌ Ｙａｎｇ Ｙｕｅｐｅｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｑｉｕｎａｎ （Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ Ｈｕｎａｎ ４１１２０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｉｕｌａｎｇ ｔｕｎｎｅｌｓ ａｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ａｔ Ｎｉｊ ｉａｏ ｔｏｗｎ，Ｑｉｕｂｅｉ Ｃｏｕｎｔｙ ｏｆ Ｙｕｎｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， ｗｈｅｒｅ ｔｈｅ ｅｎｔｒａｎｃｅ ｉｓ ｌｏｃａｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ Ｎｉｇｅｌｏ ｖｉｌｌａｇｅ ｏｆ Ｎｉｊ ｉａｏ ｔｏｗｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｉｔ ｉｓ ａｔ Ｎｉ— ｕｃｈａｎｇｐｉｎｇ ｖｉｌｌａｇｅ ｏｆ Ｘｉｎｄｉａｎ ｃｏｕｎｔｙ．Ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ｑｕｉｔｅ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｔｈｅ ｕｎｄｅｒ— ｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ ｉｓ ｒｉｃｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ ｄｅｖｅｌｏｐｓ ｆａｓｔ，ａｎｄ ＳＯ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｔｒｏｕｂｌｅｓ ｈａｖｅ ａｌｗａｙｓ ｂｅｅｎ ｂｒｏｕｇｈｔ ａｂｏｕｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＬＴＤ一２０００ ＧＰＲ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ＴＳＰ２０３一Ｐｌｕｓ．ｔｈｅ ＬＴＤ一２０００ ＧＰＲ ａｎｄ ｔｈｅ ＴＳＰ２０３一Ｐｌｕｓ ｈｅａｄｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉ— ｔｉｏｎ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｒｅｖｉｓｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｃｈｅｍｅ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｋａｒｓｔ ｔｕｎｎｅｌ；ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｒａｄａｒ（ＧＰＲ）；ＴＳＰ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ 村。隧址区属剥蚀中心地貌，地质条件比较复杂， １ 引 言 地下水较丰富，溶洞发育，年平均降雨量 １０６６ｍｍ，洞身段地面高程１５１０～１９５０ｍ，出口段 六郎隧道位于丘北县腻脚镇、新店乡境内，进 地面最低高程１３５０ｍ，相对高程３ＯＯ～６００ｍ，局部 口位于腻脚镇腻革龙村，出口位于新店乡牛场坪 稍陡。六郎隧道为双线隧道，全隧道除ＤＫ５８４＋ 基金项目：国家自然科学基金项目（编号：４１１７２２７５）资助。 作者简介：阳跃朋（１９８３一），男，湖南新化人，硕士研究生，主要从事隧道施工优化学习与研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｙｐ１２４５６＠１６３．ｃｏｍ 通讯作者：Ｎ￣，ｆｏｋＮｊ（１９６８一），男，江西莲花人，教授，主要从事隧道与岩土方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｑｎｄｏｃ＠１６３．ｃｏｍ ２ 工程地球物理学报（Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ） 第９卷 ８０９．６７～ＤＫ５９０＋５９４．２９段位于半径为６０００的 曲线上外，其余段均位于直线上。隧道最大埋深 约５３７ｍ，隧道进口里程为ＤＫ５７３＋８０７，出口里 程ＤＫ５８７＋８９７，全长１４０９０ｍ。 地貌特征为隧区在大地构造上处于青藏川滇 歹字型构造体系，川滇经向构造体系及岭南纬向 构造体系交接地带，应力集中，区域地质构造极其 复杂。测区构造以纬向、北西向构造体系为主，构 造活动强烈，具继承性和多期复活特点。以区域 断层为主，次级断层及褶皱也较为发育，测区构造 复杂属中等偏复杂。区内主要褶皱有偏坡寨背 斜、干塘子背斜、腻脚背斜。隧区地表上覆坡崩积 （Ｑ ｄｌ＋ｅ１）块石土、坡残积（Ｑ ｄｌ￣ｅ１）红黏土、粉质黏 土及碎石土。隧道主要穿越三叠中统法郎组Ｂ 段（Ｔ ）岩性为黄灰色、绿灰色薄至中厚层状泥 岩、泥质粉砂岩、粉砂岩，该套地层普遍含钙质；个 旧组（Ｔ ）岩性为灰色、灰白色厚层至块状灰岩、 白云岩、局部夹泥灰岩、钙质泥岩等。 隧道属于地下建筑工程，隧道地质情况复杂 多变，容易造成各种突发事故。除了纯粹的施工 原因外，这些现象大多数是由于岩层的物理性质 和工程特性的变化所导致的，而隧道开挖前却无 法预知，施工时可能会导致坍塌、突泥涌水等灾害 的发生，从而造成人员伤害和设备损失，增加施工 费用，影响工程进度。采用超前预报技术，就是为 了尽可能准确预报软弱岩带、断层带、破碎带、溶 洞、含水地层等不良地质，及时修改设计和施工方 案，避免灾害的发生。 我国目前广泛采用的隧道隧洞超前预报方法 一般有水平钻孔法、掌子面观察法、红外探测法、 地质雷达法和ＴＳＰ超前预报系统等。这几种方 法应相互结合，以便提高预报的准确性。在云桂 铁路段的六郎隧道施工中，采用了上述几种方法， 大大提高了预报的准确性ｌ】’ 。 ２ 地质雷达和ＴＳＰ２０３一Ｐｌｕｓ 的基本原理 ２．１地质雷达的基本原理 地质雷达是近几十年迅速发展起来的探测新 技术。探测时，通过雷达的发射天线向掌子面前 方拟测地层定向发射电磁波，当电磁波在传播途 径遇到物性不同的介质的界面或目标体（如节理、 裂隙、断层、不同风化程度的软弱围岩、地下水等） 即发生反射，不同距离的反射波由设置在发射天 线旁的接受天线接收，通过对接受的反射波叠加、 滤波及以不同方式显示等处理，并据电磁波接受 时间，电磁波在介质中的传播速率，即可确定目标 体和界面的位置，通过计算机使用不同的滤波程 序对反射波运行时间、回波能量分布及波形进行 处理和分析，从而推断前方地质结构¨３“］。 ２．２ ＴＳＰ２０３一Ｐｌｕｓ基本原理 ＴＳＰ２０３一Ｐｌｕｓ探测方法属于多波多分量高 分辨率地震反射法。地震波由小量炸药激发产 生，这些震源所激发的地震波沿隧道前方及四周 传播，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号 透射进入前方介质。遇到不良地质体分界面（如 软弱带、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面 等）产生反射、透射、散射等现象，由三维地震波接 收器在计算机的监控下采集反射回来的地震波数 据。这些回波信号的传播速度、旅行时间、波形、 振幅和方向与相应的不良地质体的性质和分布状 况紧密相关，通过分析可以得到前方地层的地质 力学参数。数据通过软件处理，便可解释隧道工 作面前方不良地质体的位置 ］。 ・ ３ 应用实例 在西南地区的长大隧道中，经常遇到的不良 地质情况有溶洞、空洞，断层破碎带，节理发育强 风化岩，流沙突泥，大面积淋水或涌水等。要保证 隧道施工的顺利进行和避免塌方等危险事故的发 生，就必须预先知道掌子面前方的地质情况，提前 采取隧道施工的安全措施来处理不良地质地段。 如打超前锚杆，超前小钢管，超前导管，架设钢架 等，若前方可能有大裂隙水，还要提前做好排水措 施。以下以在六郎隧道施工中碰到的典型断面进 行分析，以掌子面ＤＫ５８２＋０７４为例，进行地质超 前预报，根据施工后的信息反馈，证实了预报结果 基本符合实际地质情况。 ３．１地质雷达探测结果分析 掌子面观察记录：掌子面分上下台阶开挖，微 风化白云质，粉细晶结构，层状构造，岩体较破碎， 节理裂隙发育，右侧有泥质填充物，无水，围岩比 较稳定。 利用专业分析软件ＩＤＳＰ５．０显示雷达波形 如图１所示，其波形主要特征：界面有强不规则反 射波，反射波同相轴发生错断，反射波能量强，出 第１期 阳跃朋等：复杂岩溶隧道中地质超前预报的综合应用 ３ 现明显的绕射现象。根据雷达波形分析和地质设 一ｎ ｒ 计资料推断，掌子面前方围岩破碎，节理裂隙发 ——一 一…、一 －～ 育，１８～２２ｍ处有一溶洞，横穿隧道左半部分并 门 几广 往外延伸，填充黏土并夹有小碎石。 …１ｆ ｌ Ｉ—ｒ． Ｊ ‘ １ ０．Ｏ０ Ｏ．００ — Ｌ 一 ５３．９０ ３．０６ １０７．８０ ６．１１ 昌ｌ６１．７０ ９．１７ 骞 釜２１ ５．６０ ｌ２＿２２ 厘２６９．５０ ｌ５＿２８ ３２３．４０ １ ８－３４ ３７７－３０ ２１．３９ ４３１．２０ ， ： 删鼙 霉 臀 ２４．４５ ∞ 如加ｍ ０ ｍ加如们如∞ 道号 图１ 掌子面前方雷达波形 Ｆｉｇ．１ Ｒａｄａｒ ｗａｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｃａｖｅ ｉｎ ｈｅａｄｉｎｇ ｆａｃｅ 图２ 六郎隧道进口２Ｄ成果 Ｆｉｇ．２ ２Ｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｍａｐ ｏｆ Ｌｉｕｌａｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｅｎｔｒａｎｃｅ ３．２ ＴＳＰ探测结果分析 现场采集到的ｘ分量的原始数据，其中部分 该段围岩在构造偏移图像上呈现多个深色组 道由于装药原因或炮眼不符合要求导致能量较少 合带，分析该段围岩中存在溶槽或破碎带。围岩稳 从而信号稍弱，后期数据处理分析时做适当处理， 定性和完整性稍差，裂隙较发育，岩体较破碎，可以 其它各道的初至波均清晰可见，ｙ分量和ｚ分量 判定里程ＤＫ５８２＋０５５～ＤＫ５８２＋０７４区段Ｖｓ相 情况基本一致。 对较平稳，泊松比和动态杨氏模量也无多大变化， 用ＴＳＰ２０３一Ｐｌｕｓ相应的专门处理软件 可判定围岩跟掌子面相类似，围岩破碎，裂隙发育， ＴｓＰｗｉｎ ＰＬＵＳ２．１对采集的数据进行滤波、初至 局部夹泥；ＤＫ５８２４－０７４～ＤＫ５８２＋０７８段的Ｖｓ值 拾取、炮能量均衡、Ｑ评估以及波场分离（包括反 突然下降，泊松比的值突然增高，动态杨氏模量减 射波提取、纵横波分离）、速度分析等处理分析，得 小，由岩溶地质学分析可得此段处于岩溶地段，可 到相关波（Ｐ、ＳＨ、ＳＶ）的深度偏移剖面及其反射 判定此处有溶洞或沟槽，围岩为Ⅳ级ｌ＿７］。 界面，以及相关的岩石力学参数和二维、三维效果 ３．３红外探测仪探测结果分析 图。图２为２Ｄ成果图。 用红外探测仪Ｈｗ一３０４对六郎隧道进口掌 根据上面数据分析，得到部分掌子面前方地 子面里程ＤＫ５８２４－０５５进行探测，并进行数据分 震波岩石力学参数（表１）。 析。 在掌子面岩体上均匀布置２４个测点的红外 表１ 六郎隧道ＤＫ５８２＋０５５￣ＤＫ５８２＋１３０段 辐射场强数值，得知其最大值为２８７／￣Ｗ／ｃｍ ，最 岩石力学参数 小值为２７９／￣Ｗ／ｃｍ ，差值为８ Ｗ／ｃｍ ，小于允许 Ｔａｂｌｅ １ Ｒｏｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｌｉｕｌａｎｇ 的安全值ｌＯ／，Ｗ／ｃｍ 。根据上述判别方法，结合 ｔｕｎｎｅ１ ＤＫ５８２＋０５５－－ＤＫ５８２＋１３０ 已开挖揭示的围岩情况，可以判定ＤＫ５８２４－０５５ ￣ＤＫ５８２＋０８５段不存在含水构造，岩体较干燥。 预报结论：综合以上几种物探方法分析推断， 可以判定掌子面ＤＫ５８２４－０５５～ＤＫ５８２＋０７４前 方围岩破碎，节理裂隙发育，局部夹黏土，ＤＫ５８２ ＋０７４￣ＤＫ５８２＋０７８处有一溶洞，横穿隧道左半 部分并往外延伸，靠隧道中线部分为空洞，其余为 ４ 工程地球物理学报（Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ） 第９卷 黏土并夹碎石。前方岩体不含水，岩体较干燥。 预报后，立刻将分析结果和施工建议发给施工单 位，要求施工单位对掌子面前方打设超前小导管。 从而确保了隧道施工顺利通过该不良地质地段， 保证了施工进度和施工安全＿８ｊ。 这段围岩与勘测报告稍有不同，勘测报告中 未勘测出溶洞。实际开挖后，溶洞如图３所示。 图３现场溶洞 Ｆｉｇ．３ Ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ ｓｃｅｎｅ ｇｒａｐｈ ４ 结语 １）在复杂岩溶隧道施工过程中，通常遇到的 不良地质情况有溶洞溶槽，浅埋强风化岩，断层破 碎带，大面积涌水，黏土层等。由于地质设计资料 的局限性，通过地质超前预报，能够及时地了解掌 子面前方地质情况，为隧道施工及时地调整支护 参数提供依据，有效地控制了地质灾害地发生。 ２）为了提高对岩溶隧道地质超前预报地解释 和识别地准确性和精度，需要结合各种物探方法 对不良地质进行超前预报，根据每种预报手段的 特点，有机地选用或结合多种超前地质预报技术， 如地质调查法、地质雷达、ＴＳＰ、水平钻孔等，并且 需要结合地质设计资料和掌子面情况，推断掌子面 前方的地质情况。以便改变复杂地质条件下隧道 施工危险、进度慢的局面，使施工变得更加安全。 任何单一的预报手段都有其适用性与局限性，忽略 任何一方都将使预报效果大打折扣［９ 。 参考文献： ［１］殷瑞华，徐义贤．ＴＳＰ２０３在鹰嘴岩隧道超前地质预 报中的应用ＥＪ］．工程地球物理学报，２００９，６（３）：２６６ ～２７２． ［２］吴俊，毛海和．地质雷达在公路隧道短期地质超前预 报中的应用Ｉ－Ｊ３．岩土力学，２００３（ｓ１）． ［３］曾昭发．探地雷达方法原理及应用Ｉ－Ｍ］．北京：科学出 版社，２００６． ［４］周治国，刘保卫，唐猛雄，等．ＴＳＰ和ＧＰＲ综合方法 隧道超前地质预报［Ｊ］．矿业研究与开发，２００８（４）． Ｅ５］吴德胜．三种物探方法在岩溶隧道地质超前预报中 的综合应用［Ａ］．中国地球物理学会第２２届年会论 文集［ｃ］．中国地球物理学会，２００６． ［６］李奎，高波．岩溶区隧道岩溶发育规律与岩溶洞穴探 测口］．西部探矿工程，２００５（１０）． 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