近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，高速鐵路、高速公路、城市軌道交通等工程大規(guī)模建設(shè)，長大隧道數(shù)量也越來越多，隧道施工進(jìn)度經(jīng)常成為控制整個(gè)工程進(jìn)展的瓶頸。
隧道快速掘進(jìn)的主要難題是了解掌子面前方的地質(zhì)情況和巖石力學(xué)參數(shù)，其中隧道軸線的地質(zhì)界面可能會(huì)在施工掘進(jìn)中發(fā)生嚴(yán)重的問題，如塌方、突泥、突涌水等災(zāi)害，尤其是當(dāng)這些災(zāi)害交叉發(fā)生時(shí)，問題會(huì)更加嚴(yán)重。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就是解決這個(gè)難題行之有效的方法。
隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是通過物探、鉆探或?qū)Э?，并配合地質(zhì)測繪或地質(zhì)調(diào)查等手段探獲的資料，對整個(gè)隧道、隧道的某個(gè)段落、隧道的某個(gè)部位及其前方一定范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征和穿整狀態(tài)、圍巖級別及隧道開栘后的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測，并提出隧道前方的開挖和支護(hù)建議的報(bào)告。
本文將對基于彈性波三維成像方法的南昏隧道、大營坡隧道、大尖山隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析介紹。
探測依據(jù)
《隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》CECS-2019
《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）
《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60-2009）
《公路工程物探規(guī)程》（JTG/T C22-2009）
《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218-2014）
《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F60-2009)
隧道設(shè)計(jì)、變更資料、工程任務(wù)書
測試設(shè)備
AGI-T3三維成像隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀，該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)終端、無線采集器、三分量檢波器、無線信號觸發(fā)計(jì)時(shí)器、錘擊觸發(fā)傳感器（或起爆機(jī)連接器）、信號采集處理和三維成像預(yù)報(bào)軟件等組成。
探測原理
彈性波三維成像方法
彈性波三維成像方法和其它地震波反射法一樣，采用了回聲測量原理，是一種多波多分量反射地震勘探的地球物理方法。
彈性波法探測原理示意圖
現(xiàn)場工作方法是在隧道左、右邊墻各設(shè)多個(gè)震源點(diǎn)，然后用人工錘擊方式激發(fā)地震波（或使用震源，可提高探測長度和成像精度），地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號反射（或散射）回來，一部分信號折射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射回來的地震波將由高靈敏度的地震檢波器接收，這部分信號就是隧道三維成像超前地質(zhì)預(yù)報(bào)野外采集的原始數(shù)據(jù)。彈性波法探測原理如圖1所示，根據(jù)反射信號旅行時(shí)間和傳播速度（圖中斜率為負(fù)、又稱負(fù)速度），可探測掌子面前方地質(zhì)的變化情況及災(zāi)害體的分布、性質(zhì)；同時(shí)根據(jù)反射信號傳播速度可測算出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段的巖體波速，為判定圍巖級別提供重要依據(jù)。
三維成像預(yù)報(bào)原理示意圖(AGI-T3)
現(xiàn)場工作方法是在隧道左、右邊墻各設(shè)多個(gè)震源點(diǎn)，然后用人工錘擊方式激發(fā)地震波（或使用震源，可提高探測長度和成像精度），地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號反射（或散射）回來，一部分信號折射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射回來的地震波將由高靈敏度的地震檢波器接收，這部分信號就是隧道三維成像超前地質(zhì)預(yù)報(bào)野外采集的原始數(shù)據(jù)。彈性波法探測原理如圖1所示，根據(jù)反射信號旅行時(shí)間和傳播速度（圖中斜率為負(fù)、又稱負(fù)速度），可探測掌子面前方地質(zhì)的變化情況及災(zāi)害體的分布、性質(zhì)；同時(shí)根據(jù)反射信號傳播速度可測算出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段的巖體波速，為判定圍巖級別提供重要依據(jù)。
探測方法
根據(jù)三維成像超前預(yù)報(bào)原理要求，理想條件下從掌子面開始，在隧道左、右邊墻各設(shè)10～15個(gè)震源點(diǎn)(點(diǎn)距約1.5m～2.0m)。如果是錘擊震源，在距第1個(gè)震源點(diǎn)約3m處安置三分量檢波器；反之如果使用的是震源，為保證安全在距第1個(gè)震源點(diǎn)約10m～15m處安置三分量檢波器。在同一斷面左、右邊墻高度約1.0m處和拱頂各安裝一個(gè)檢波器（共3個(gè)）。另一方面，儀器應(yīng)用考慮到現(xiàn)場條件的復(fù)雜多樣性，探測方法同時(shí)具有很大的靈活性，可以在隧道左或者右邊墻單邊設(shè)置震源點(diǎn)，檢波器可以根據(jù)條件選擇安置1～3個(gè)。
工作布置示意圖
案例分析
01
右幅進(jìn)口
南昏隧道
對南昏隧道右幅（進(jìn)口端）用T3方法進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，本次預(yù)報(bào)里程段為K133+810～+910，長100m。
探測內(nèi)容：
探測掌子面前方地質(zhì)情況，可能出現(xiàn)的地質(zhì)斷層及巖石破碎帶的地質(zhì)情況等；
地質(zhì)超前預(yù)報(bào)范圍段的圍巖級別。
K133+435～K135+355隧道圍巖主要為新近系砂礫巖、礫巖，其承載力基本容許值450kPa。呈紫紅色、灰綠色，碎屑結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎。Rc=0.5-5MPa、Kv=0.36-0.81、K1=0.4、K2=0、K3=0、【BQ】=78.5～215，圍巖分級為Ⅴ級；地下水類型主要為基巖裂隙水，富水性較差，施工時(shí)可能出現(xiàn)潮濕或點(diǎn)滴狀出水。圍巖穩(wěn)定性差，開挖后遇水易風(fēng)化破壞，初期支護(hù)及時(shí)易產(chǎn)生中～大規(guī)模的坍塌。
隧道掌子面為灰白色、灰綠色，強(qiáng)～全風(fēng)化礫巖與砂質(zhì)泥巖為主，為極軟巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈泥砂質(zhì)半膠結(jié)狀態(tài)，多呈碎石鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體極破碎，自穩(wěn)能力弱，擾動(dòng)后易破碎坍塌。掌子面稍濕，無地下水，圍巖完整性和穩(wěn)定性很差。
K133+810～+910段圍巖級別設(shè)計(jì)為Ⅴ級。依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）中3.6條圍巖分級，判定掌子面地質(zhì)情況符合Ⅴ級圍巖條件。
K133+810掌子面照片圖
K133+810掌子面地質(zhì)素描圖
探測結(jié)果分析
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
通過對采集到的信號進(jìn)行處理分析，得到本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)波速掃描分析和三維成像結(jié)果。
波速掃描分析
三維成像結(jié)果圖
根據(jù)探測結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)情況和相關(guān)資料綜合分析：
| 預(yù)報(bào)里程：K133+810~K133+830 L=20m | ||
| 物性參數(shù)描述： 平均速度：Vp=3410m/s ~3553m/s 主要物探異常： K133+810~ +830范圍內(nèi)，有多處較明顯反射界面。 | ||
| 該段巖性為全風(fēng)化角礫巖、砂礫巖，為極軟巖，呈泥質(zhì)半膠結(jié)狀態(tài)，多呈碎石鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體松散破碎，自穩(wěn)能力弱，擾動(dòng)后易破碎坍塌，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。 推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。施工中應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施，確保安全。 |
| 預(yù)報(bào)里程：K133+830~K133+850 L=20m | ||
| 物性參數(shù)描述： 平均速度Vp=3530m/s~3553m/s 主要物探異常： K133+840附近有明顯反射界面。 | ||
| 在K133+840附近有明顯反射界面，施工時(shí)可能出現(xiàn)潮濕或點(diǎn)滴狀滲水，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。 推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。施工中應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施，確保安全。 |
| 預(yù)報(bào)里程：K133+850~K133+910 L=60m | ||
| 物性參數(shù)描述： 平均速度：Vp=3500m/s 主要物探異常： K133+860和K133+900附近有明顯反射界面。 | ||
| 在K133+860和K133+900附近有明顯反射界面，施工時(shí)可能出現(xiàn)潮濕或點(diǎn)滴狀滲水，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。 推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。施工中應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施，確保安全。 |
綜上分析表明，推斷此段圍巖較掌子面一致，為全風(fēng)化角礫巖、砂礫巖，為極軟巖，呈泥質(zhì)半膠結(jié)狀態(tài)，局部裂隙水發(fā)育；多呈碎石鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體松散破碎，自穩(wěn)能力弱，擾動(dòng)后易破碎坍塌，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。
02
左幅出口
大營坡隧道
大營坡隧道左幅（出口段）運(yùn)用地震波三維成像方法(AGI-T3)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，本次預(yù)報(bào)起訖里程段為ZK66+855～ZK66+755，預(yù)報(bào)距離100m。
探測內(nèi)容：
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段的巖體波速及圍巖級別判定；
探測掌子面前方地質(zhì)的變化情況及災(zāi)害體的分布、性質(zhì)。
該段圍巖設(shè)計(jì)級別為Ⅴ級。隧道掌子面 ZK66+855巖性：為黑褐色全風(fēng)化玄武巖，裂隙較發(fā)育，巖體破碎。巖石錘敲清脆，有回彈，震手，難擊碎，屬軟巖。掌子面稍濕，主要為基巖裂隙水及地表滲水，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。
掌子面照片圖
探測結(jié)果分析
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
通過對采集到的信號進(jìn)行處理分析，得到本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)波速掃描分析和三維成像結(jié)果。
速度掃描分析結(jié)果圖
三維預(yù)報(bào)成像結(jié)果圖
根據(jù)探測結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)情況和相關(guān)資料綜合分析。
| 預(yù)報(bào)里程：K66+855～K66+821 L=34m | ||
| 物性參數(shù)描述： 平均速度Vp：2365m/s～3060m/s 主要物探異常： 該段在K66+849、K66+830、K66+821處附近有強(qiáng)反射界面。 | ||
| 推斷該段圍巖強(qiáng)度與掌子面基本相同，為黑褐色全風(fēng)化玄武巖，裂隙較發(fā)育，以點(diǎn)滴狀滲水為主，圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。 推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。開挖時(shí)應(yīng)短開挖，弱爆破，控制超/欠挖，確保安全。 |
| 預(yù)報(bào)里程：K66+821~K66+785 L=36m | ||
| 物性參數(shù)描述： 平均速度Vp=2936 m/s 主要物探異常： 該段在K66+815、K66+785處附近有強(qiáng)反射界面。 | ||
| 推斷該段圍巖強(qiáng)度與掌子面基本相同，為全風(fēng)化玄武巖，裂隙發(fā)育，出水多為點(diǎn)線狀、小股狀，圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。 推斷該段圍巖等級可能由Ⅴ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)變。應(yīng)根據(jù)實(shí)際開挖情況，合理選擇施工方法，確保安全。 |
| 預(yù)報(bào)里程：K66+785~K66+755 L=30m | ||
| 物性參數(shù)描述： 平均速度：Vp=1710 m/s 主要物探異常： 該段在K66+760處附近有較強(qiáng)反射界面。 | ||
| 推斷該段圍巖強(qiáng)度與掌子面基本相同，為全風(fēng)化玄武巖，裂隙發(fā)育，出水多為點(diǎn)線狀、小股狀，圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。 推斷該段圍巖等級可能由Ⅴ級向Ⅳ級轉(zhuǎn)變。應(yīng)根據(jù)實(shí)際開挖情況，合理選擇施工方法，確保安全。 |
03
左幅出口
大尖山隧道
思茅至瀾滄高速公路大尖山隧道左幅（出口段）運(yùn)用彈性波三維成像方法(AGI-T3)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，本次預(yù)報(bào)起訖里程段為ZK26+046～ZK25+946，預(yù)報(bào)距離100m。
探測內(nèi)容：
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍段的巖體波速及圍巖級別判定；
探測掌子面前方地質(zhì)的變化情況及災(zāi)害體的分布、性質(zhì)。
該段圍巖設(shè)計(jì)級別為Ⅴ級。隧道掌子面ZK26+046 巖性：以灰色中～強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，掌子面局部有溶蝕現(xiàn)象，裂隙間充填大量黃色粉質(zhì)粘土，無地下水，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，開挖時(shí)局部有掉塊現(xiàn)象，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）中3.6條圍巖分級，判定掌子面地質(zhì)情況符合Ⅴ級圍巖條件。
掌子面照片圖
探測結(jié)果分析
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
通過對采集到的信號進(jìn)行處理分析，得到本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)波速掃描分析和三維成像結(jié)果。
速度掃描分析結(jié)果圖
三維預(yù)報(bào)成像結(jié)果圖
根據(jù)探測結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)情況和相關(guān)資料綜合分析。
| ZK26+046~ZK25+018 L=28m | ||
| 物性參數(shù)描述： 平均速度Vp：2388 m/s～2711 m/s 主要物探異常： 在ZK26+030～+018段附近有多處較強(qiáng)反射界面。 | ||
| 推斷該段圍巖強(qiáng)度與掌子面基本相同，以中～強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r為主，受斷裂構(gòu)造影響，在ZK26+030～+018段附近巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部溶蝕強(qiáng)烈，裂隙間夾泥質(zhì)物較多，含少量裂隙水，層間結(jié)合程度差，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。 推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。開挖時(shí)應(yīng)短開挖，弱爆破，控制超/欠挖，確保安全。 |
| 預(yù)報(bào)里程：ZK26+018~ZK25+982 L=36m | ||
| 物性參數(shù)描述： 平均速度Vp=2617 m/s 主要物探異常： 在ZK25+982處附近有較強(qiáng)反射界面。 | ||
| 推斷該段圍巖為以中～強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r為主，受斷裂構(gòu)造影響，在ZK25+982處附近巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部溶蝕強(qiáng)烈，裂隙間夾泥質(zhì)物較多，含少量裂隙水，層間結(jié)合程度差，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。 推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。開挖時(shí)應(yīng)短開挖，弱爆破，控制超/欠挖，確保安全。 |
| 預(yù)報(bào)里程：ZK25+982~ZK25+946 L=36m | ||
| 物性參數(shù)描述： 平均速度：Vp=2230 m/s 主要物探異常： 在ZK25+946處附近有較強(qiáng)反射界面。 | ||
| 推斷該段圍巖為以中～強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r為主，受斷裂構(gòu)造影響，在ZK25+946處附近巖體破碎，多呈薄層狀結(jié)構(gòu)，局部溶蝕強(qiáng)烈，裂隙間夾泥質(zhì)物較多，含少量裂隙水，層間結(jié)合程度差，圍巖完整性及穩(wěn)定性差。 推斷該段圍巖等級為Ⅴ級。開挖時(shí)應(yīng)短開挖，弱爆破，控制超/欠挖，確保安全。 |
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