HSP法在隧道超前地质预报中的应用

杨词光，吴丰收，李天斌，曾知法

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059;2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731;3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

HSP法在隧道超前地质预报中的应用

杨词光1，吴丰收2，李天斌1，曾知法3

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059;2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731;3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

文章简要介绍了HSP声波反射法的工作原理，并以杜家山隧道为例，利用HSP声波反射法并结合工程地质方法对隧道前方围岩进行了预测，对隧道实际开挖进行现场跟踪。并将预报成果和实际揭露资料进行对比，验证了HSP声波反射法在超前地质预报中的实用性。

HSP法 隧道 超前预报

随着我国公路交通事业的发展，越来越多的高速公路需要穿越山岭修建隧道。隧道施工特别复杂，面临着很多地质灾害问题，如岩溶地段的突水突泥，断层破碎带的塌方等。超前地质预报技术可以很好地避免灾害事故的发生[1]。以地质法为基础的HSP声波反射法超前地质预报，是在HSP水平声波剖面法基础上发展而来的地质超前预报技术。本文结合广甘高速公路杜家山隧道超前地质预报，验证了HSP声波反射法在超前地质预报中的实用性。

1 HSP声波反射法简介

1.1 基本原理

该方法和地震波探测原理基本相同。其原理是建立在弹性波理论的基础上，传播过程遵循惠更斯—菲涅尔原理和费马原理。本方法探测的物理前提是岩体间或不同地质体间明显的声学特性差异。测试时，在隧道施工掌子面或边墙一点发射低频声波信号，在另一点接收反射波信号。采用时域、频域分析反射波信号，进一步根据隧道掌子面、地面的地质调查推测掌子面前方地质条件的预报方法。可了解前方岩体的变化情况，探测掌子面前方可能存在的岩性分界、断层、岩体破碎带、软弱夹层、以及岩溶等不良地质体的规模、性质及延伸情况等[2]。

1.2 分析软件及测试系统

HSP声波反射法地质超前预报采用智能工程探测声波仪进行现场采集，用与仪器采集数据匹配的专用反射谱分析软件和反射子波分析软件，结合地质调查方法，确保了探测的快速、资料的准确和分析结果的可靠。

现场测试方法采用通道触发，一发一收的方式进行。用大锤敲击木桩作振源触发换能器，另一个换能器同时接收信号，信号采集和数据储存都通过便携式计算机控制。每一测区都重复进行10次测试。掌子面测试时，接收换能器距触发换能器20～300 cm，实际测试距离应根据掌子面现场条件具体确定。

2 工程实例

2.1 工程概况及地质条件

杜家山隧道为广元—甘肃高速公路G5标段的在建隧道。隧道进口位于四川青川县木鱼镇文武村八组柳树沟左侧，出口位于青川县骑马乡新明村三组王石沟右侧。该隧道设计为单洞双车道分离式长隧道，左线进出口里程为ZK15+044—ZK16+885，长1 841 m;右线进出口里程为K15+024—K16+910，长1 886 m。隧道最大埋深200 m。

隧道区位于四川盆地西北边缘龙门山脉北端，紧邻摩天岭山系，隧道穿越山体由多个山脊组成，总体走向呈EW向，并以大角度与山体走向斜交。根据地勘报告，该隧道处于青川大断裂的下盘，细米山倒转向斜北翼，隧道围岩条件极差，90%以上为Ⅴ级，施工难度大，工程地质条件相当复杂。

2.2 掌子面地质情况及测点布置

工作区为隧道右线出口端，掌子面里程为K16+690，图1为掌子面测点布置示意图。通过现场观测，掌子面岩性为砂质千枚岩夹绢云母千枚岩，为薄层片状岩体，岩层片理产状N26°E/NW∠56°，倾角较陡，走向与隧道轴向大角度相交。主要发育一组明显的节理，产状为 S70°E/NE∠10°，间距 0.5 ～1.0 m，长度1.0～1.5 m。岩体片理、劈理发育，呈薄层片状结构，嵌合程度较紧密，岩层风化程度为微风化～新鲜。榔头敲击声较清脆。掌子面干燥，局部呈浸润状。

图1 K16+690掌子面测点布置示意

2.3 测试结果及建议

采用HSP声波反射法进行测试，测试岩体平均声波速度为2 460 m/s。对现场采集原始波形曲线进行时域和频域分析，得到时域和频域分析结果如图2所示。

由图2综合分析可知，目前掌子面前方60 m范围内主要为砂质千枚岩夹绢云母千枚岩，其中掌子面前方32～60 m范围反射波信号杂乱，信号衰减快，表明岩体破碎，围岩自稳能力差。其详细判断结果如下:

1)K16+690—K16+658段长度为32 m，岩性主要为灰色砂质千枚岩，岩质较软，岩体较完整～较破碎，呈碎裂块状结构，片理发育，开挖后易出现掉块和小规模坍塌现象，节理裂隙较发育，裂隙水不发育。判定围岩级别为Ⅳ级。

2)K16+658—K16+630段长度为28 m，岩体较破碎，呈块状，节理裂隙较发育，岩质较软，遇水易软化，易掉块和小规模坍塌，可能发育少量裂隙水，判定围岩级别为Ⅳ级弱。

建议施工单位及时加强支护，并做好监测工作，同时根据实际情况加强超前支护的施工。

2.4 开挖对比验证

本工作组对杜家山隧道开挖情况进行现场跟踪，发现K16+690—K16+658段围岩以干燥岩体为主，K16+658—K16+630段局部有湿软软弱岩体出现。由此可见掌子面实际开挖结果与HSP法预报结果基本相符，验证了HSP声波反射法在超前地质预报中的实用性。

图2 K16+690里程探测时域和频域分析结果

3 结语

1)本工作组对杜家山隧道进行HSP法超前地质预报，预报结果与实际开挖情况基本一致，可以为隧道正常施工提供一定的指导作用。

2)由于解译结果受多种因素影响具有多解性，所以在实践中应持科学、客观和审慎的态度。将探测成果与既有地质勘探资料、掌子面地质资料结合起来综合分析，并加强典型不良地质的图像识别能力，不断通过开挖验证，来积累经验，提高预报的准确率。

[1]李晓红.隧道新奥法及其测量技术[M].北京:科学出版社，2002.

[2]林志军，牛建军，张晓培，等.HSP声波反射法在地质超前预报中的应用[J].公路交通技术，2008，4(2):102-104

U456.3+3

A

1003-1995(2012)06-0082-02

2012-01-30;

2012-03-14

地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室团队重点课题资助(SKLGP2009Z002)

杨词光(1988— )，男，江西九江人，硕士研究生。

(责任审编 葛全红)