張春玲　張　晶　王　亮

摘要:本文介紹了隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報的目的、內(nèi)容及方法,探析了各種地質(zhì)超前預(yù)報方法的機理及特點,分析了隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展方向,以其為工程研究與應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞:隧道;超前地質(zhì)預(yù)報;目的;內(nèi)容;方法

引言。在隧道施工中,地質(zhì)災(zāi)害(涌水、塌方、巖爆等)的發(fā)生嚴(yán)重影響工程進度,增加工程造價,導(dǎo)致工程事故時有發(fā)生,因此在隧道施工中進行準(zhǔn)確快速的超前地質(zhì)預(yù)報是十分必要的。采用超前地質(zhì)預(yù)報,結(jié)合常規(guī)圍巖變形監(jiān)測等多種手段,對隧道的圍巖實現(xiàn)掘進面附近時空變形的預(yù)測和預(yù)報分析,并對隧道的襯砌狀態(tài)進行評價,為施工設(shè)計提供指導(dǎo)性依據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)控手段,能夠達(dá)到安全施工和優(yōu)化設(shè)計目的。開挖前對地質(zhì)情況的了解,對于隧洞建設(shè)有著十分重要的作用,在工程實施中,超前地質(zhì)預(yù)報廣泛用于長、大隧道及重點工程的施工。

1隧道超前地質(zhì)預(yù)報的目的

超前地質(zhì)預(yù)報的目的就是要通過超前預(yù)報措施,及時發(fā)現(xiàn)異常情況,查明掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水特性,為正確選擇開挖斷面、支護設(shè)計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù),預(yù)防隧道施工中可能形成的災(zāi)害性事故,保證施工安全,提高施工效率,縮短施工工期,節(jié)約投資等。

2隧道超前地質(zhì)預(yù)報的內(nèi)容

2.1圍巖類別預(yù)報

預(yù)報掌子面前方的圍巖類別,軟弱圍巖及不同類別圍巖的界面,判斷前方圍巖的穩(wěn)定性,與設(shè)計文件進行比較,隨時為修改設(shè)計、調(diào)整支護類型參數(shù)、確定二次襯砌時間提供可靠的數(shù)據(jù)。

2.2水文地質(zhì)預(yù)報

預(yù)報洞內(nèi)涌水量的大小,涌水壓力及其變化規(guī)律,評價其對環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響。

2.3不良地質(zhì)體預(yù)報

預(yù)報掌子面前方一定范圍內(nèi)有無突水、突泥、巖爆,查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì),提出有效的施工措施或建議;預(yù)報斷層破碎帶或軟弱夾層的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)和填充物的狀態(tài),判定其穩(wěn)定性,提出科學(xué)合理的施工方案。

2.4隧道附近地質(zhì)異常體預(yù)報

隧道施工中有些未被揭露或小部分揭露出的地質(zhì)異常體有可能影響后期的隧道施工安全及今后的運營安全,所以有必要探明隧道附近未被揭露的隱伏地質(zhì)異常體的性質(zhì)和分布情況,評估其對隧道結(jié)構(gòu)后期的危害程度,做出是否處理及如何處理的方案,實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)耐久性和安全運營的目標(biāo)。

2.5有害氣體預(yù)報

探明煤層、瓦斯、天然氣、硫化氫賦存條件及采空區(qū)狀況,預(yù)測隧洞內(nèi)有害氣體成分、含量及動態(tài)變化情況。

3隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

超前地質(zhì)預(yù)報的方法很多,根據(jù)實施方法可分為常規(guī)地質(zhì)法和工程物理探測法。物探法是目前應(yīng)用較為廣泛的方法,常規(guī)地質(zhì)預(yù)報經(jīng)常是在物探法懷疑前方有不良地質(zhì)體時采用。

3.1常規(guī)地質(zhì)法

3.1.1水平超前鉆孔

用鉆探設(shè)備向掌子面前方鉆探,直接揭示隧道掌子面前方幾十米地層的巖性、巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、地下水、巖溶洞穴充填物及其性質(zhì)、巖體完整程度等資料,比較直觀,還可通過巖芯試驗獲得巖石強度等定量指標(biāo),適用于已經(jīng)基本認(rèn)定的主要不良地質(zhì)區(qū)段。但在復(fù)雜地質(zhì)條件下預(yù)報效果較差,很難預(yù)測到正洞掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理,與隧道軸線平行的結(jié)構(gòu)面以及鉆孔與鉆孔之間的地質(zhì)情況也反映不出來。

3.1.2超前導(dǎo)坑

超前導(dǎo)坑法可分為超前平行導(dǎo)坑和超前正洞導(dǎo)坑。平行導(dǎo)坑的布置平行于正洞,斷面小而且與正洞之間有一定的距離,在施工過程中通過對導(dǎo)坑中遇到的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面或地下水等情況繪制地質(zhì)素描圖,對正洞的地質(zhì)條件進行預(yù)報。

超前平行導(dǎo)坑法最為直觀,精確度高,預(yù)報距離長,施工單位可提前了解隧道開挖斷面的地質(zhì)情況,安排施工計劃和調(diào)整施工方案;超前正洞導(dǎo)坑布置在正洞中,其作用與平行導(dǎo)坑相比,效果更好。采用超前導(dǎo)坑的缺點是成本高,影響施工進度。

3.1.3地質(zhì)素描

地質(zhì)素描是利用所見已開挖段的地質(zhì)情況,預(yù)報前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)條件。素描的主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造發(fā)育情況、地下水狀態(tài)、圍巖穩(wěn)定性及初期支護方法等。地質(zhì)素描法預(yù)報不占用施工時間,設(shè)備簡單,不干擾施工,出結(jié)果快,預(yù)報的效果好,而且為整個隧道提供了完整的地質(zhì)資料。但地質(zhì)素描對與隧道夾角較大而又向前傾的結(jié)構(gòu)面容易產(chǎn)生漏報,對于向掌子面前方傾斜的結(jié)構(gòu)面因為先在頂部出現(xiàn),預(yù)報時效果相對較差。

3.2工程物探法

3.2.1紅外探測

地下水的活動會引起巖體紅外輻射場強的變化,當(dāng)隧道掌子面前方及周邊介質(zhì)單一時,所測得的紅外場為正常場;當(dāng)前方存在隱伏含水構(gòu)造或有水時,所產(chǎn)生的場強會疊加到正常場上,從而使正常場產(chǎn)生畸變。據(jù)此可判斷掌子面前方一定范圍內(nèi)是否有隱伏的含水體。該方法測量快速,施工干擾小,有較高的定性判別準(zhǔn)確率,但無法預(yù)報水量和含水體前方具體位置等定量指標(biāo)。

3.2.2聲波探測

聲波對裂隙反應(yīng)很敏感,聲波探測利用聲波遇到裂隙即發(fā)生介面效應(yīng)(反射、折射和繞射),耗損波能,使波形變得復(fù)雜,波速減緩的特性,通過探測反射信號,求得其傳播特征后,即可了解工作面前方的巖體特征。用于探測劃分隧道圍巖級別,劃分地層界線,探測隱伏斷層、破碎帶,探測巖溶、地下洞穴,測定含水層分布,查找地質(zhì)構(gòu)造,探測不良地質(zhì)體的厚度和范圍等。

3.2.3電磁波法

電磁波法是利用電磁波在不同介質(zhì)中產(chǎn)生透射、反射的特性來進行地質(zhì)預(yù)報工作的,目前常用的方法有地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)。地質(zhì)雷達(dá)法通常是一種地下甚高頻至超高頻段電磁波反射探測法,該方法主要是配合地震反射法(負(fù)視速度法),通過測定與巖溶含水性有關(guān)介電常數(shù)的變化來探測充水地質(zhì)體,探測距離一般小于30m,在潮濕含水層中小于10m,廣泛用于探測隱伏斷層、破碎帶;探測地下巖溶、洞穴;探測地層劃分、巖性界面等。試驗表明,采用地質(zhì)雷達(dá)對隧底、邊墻、隧頂外圍巖的不良地質(zhì)探測效果最好,結(jié)合超前平導(dǎo)應(yīng)用可對正洞起到超前預(yù)報的作用。

3.2.4地震波法

常用的地震波法包括隧道地震超前預(yù)報系統(tǒng)(TSP)、負(fù)視速度法(TVSP)和水平聲波剖面法(HSP)等。TSP法是我國20世紀(jì)90年代從瑞士安伯格(AMBERG)測量技術(shù)公司引進的一套先進的地質(zhì)超前預(yù)報探測系統(tǒng),也是我國目前應(yīng)用較為廣泛的一種方法。TSP法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波設(shè)計的震源點(通常在隧道的左墻或右墻處,大約24個炮點)常由小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時,一部分地震信號反射回來,另一部分信號透射進入前方介質(zhì),反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。通過對接收信號的運動學(xué)和動力學(xué)特征進行分析,便可推斷斷層、巖石破碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖土力學(xué)參數(shù)。通常地質(zhì)條件下,TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)可以預(yù)報150m～250m的距離,在地質(zhì)條件較好時,可以預(yù)報更長的距離。

4隧道超前地質(zhì)預(yù)報展望

盡管隧洞施工超前預(yù)報已引起國內(nèi)外隧洞工程界的重視,也做了許多卓有成效的工作,但到目前為止還沒有一套系統(tǒng)的普遍適用的方法,國內(nèi)外隧洞工程的重大地質(zhì)災(zāi)害仍時有發(fā)生。因此,準(zhǔn)確預(yù)報開挖前方的地質(zhì)條件是隧洞建設(shè)者們的迫切要求。加強隧道超前地質(zhì)預(yù)報理論研究,加強探測新技術(shù)、新方法的研究和先進儀器的研制與開發(fā),同時建立不良地質(zhì)界面的特征識別模式和不良地質(zhì)體的判定指標(biāo),以及巖體類別劃分的定量化指標(biāo),充分利用常規(guī)地質(zhì)預(yù)報和不同物探設(shè)備各自的特點,相互配合驗證,實施綜合超前地質(zhì)預(yù)報等方面是隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作亟待進一步發(fā)展和解決的問題。

5結(jié)語

地質(zhì)超前預(yù)報在隧道施工中具有重要的指導(dǎo)意義,它在很大程度上消除了施工的盲目性,確保了施工的安全進行。隧洞施工超前預(yù)報是一項復(fù)雜而艱難的任務(wù),需在工程實踐中不斷創(chuàng)新、優(yōu)化、總結(jié)、完善和提高,隧洞施工超前預(yù)報工作任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李堅. TSP法在鐵路客運專線隧道超前預(yù)報工作中的應(yīng)用前景.鐵道勘察,2005.12(6)45-48

[2] 楊林果,楊立偉. 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報方法與探測技術(shù)研究. 地下空間與工程學(xué)報,2006.8(4):627-630,645

[3] 劉祖德,伍穎. 高速公路隧道地質(zhì)超前預(yù)報方法比較. 工業(yè)安全與環(huán)保,2005.11(11):51-52

[4] 荊志東. 特長隧道地質(zhì)超前預(yù)報方法研究. 鐵道勘察,2005.6(3):46-48

[5] 宋先海,顧漢明,肖柏勛. 我國隧道地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)述評. 地球物理學(xué)進展,2006.6(2):605-613

確

作者簡介:張春玲(1970-),女,助工,研究方向:地質(zhì)工程。

張晶(1983-),女,學(xué)士,助工,研究方向:巖土工程。

王亮(1980-),男,工學(xué)碩士,講師,研究方向:地下與隧道工程,建筑工程。