朱 飛 劉國正 彭紅明

(青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧 810007)

隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

朱 飛 劉國正 彭紅明

(青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧 810007)

通過了解國內(nèi)外隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展現(xiàn)狀及對目前幾種常用的超前預(yù)報方法的分析，總結(jié)出幾種常用的隧道超前預(yù)報的優(yōu)缺點及適用范圍，并對未來的發(fā)展趨勢進行了展望，探索了計算機技術(shù)在隧道超前預(yù)報發(fā)展中的應(yīng)用。

隧道工程，超前預(yù)報，TSP法，地質(zhì)雷達，紅外探水

0 引言

自實施改革開放國策以來，我國經(jīng)濟快速發(fā)展，國家加大了基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。目前，國家每年投資成百上千萬修建高等級公路、鐵路，在山嶺重丘地區(qū)修建高等級公路、鐵路，為了縮短里程，改善路線及減少植被破壞，則需要對山體進行開挖以便修建隧道。為了防止由此而引起的相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害，滿足隧道施工進度對掘進前方地質(zhì)情況的了解要求，迫切地需要先進的探測手段和優(yōu)良的探測技術(shù)，及時快速地進行超前探測與預(yù)報，因此，隧道的超前地質(zhì)預(yù)報工作就變得非常重要。

1 對于目前國內(nèi)外隧道超前預(yù)報工作的研究情況

20世紀80年代，對掌子面附近地質(zhì)條件的詳細研究在前西德取得一定成果，而澳大利亞則預(yù)報隧道施工前方的地層狀況，法國主要研究在什么樣的探測方法下加快隧道的掘進速度問題。日本主要研究開挖前方地質(zhì)預(yù)報，20世紀90年代初，瑞士Amberg測量技術(shù)有限公司開發(fā)研制了TSP隧道地震預(yù)報系統(tǒng)預(yù)測即將開挖隧道施工前方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其圍巖地質(zhì)狀況，同時也可對其力學(xué)參數(shù)進行評估。經(jīng)研究調(diào)查，我國在超前地質(zhì)預(yù)報領(lǐng)域的研究最早始于20世紀50年代末的煤礦生產(chǎn)中，谷德振等教授最開始的研究是以分析礦巷開挖的施工進度對礦巷掌子面前方將遇到不良地質(zhì)災(zāi)害體等引起的可能塌方事件，從70年代開始，我國全面開始了隧道施工期間的超前地質(zhì)預(yù)報研究和應(yīng)用工作。20世紀70年代初，我國開始進行探地雷達研制工作，1987年我國從德國引進槽波地震勘探技術(shù)，1988年緊接著從日本引進了瑞雷波法，終于在1991年成功的研制出瞬態(tài)震源MRD-I型瑞雷波探測儀。鐘世航1992年提出的陸地聲納法(也叫高頻地震反射法)其實質(zhì)是垂直地震波反射法。最近這些年，以TSP為主的工程技術(shù)也引起了中國工程技術(shù)人員的重視和認同，在1996年，我國的鐵道部隧道工程局第一次引進了TSP202儀器，隨后，為了解決隧道超前地質(zhì)預(yù)報和隧道地質(zhì)監(jiān)測這兩個方向的工作需要，北京市水電物探研究所，通過多年的努力研發(fā)，終于開發(fā)出了TGP12多功能隧道超前地質(zhì)預(yù)報與檢測儀和與之相匹配的TGPWin軟件處理系統(tǒng)。

2 常用隧道預(yù)報方法的基本原理

2.1 TSP隧道地震波探測超前地質(zhì)預(yù)報方法

隧道地震超前預(yù)報測量系統(tǒng)簡稱TSP(Tunnel Seismic Prediction),是我國20世紀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。TSP和其他的反射地震波方法一樣，采用了回聲測量原理：地震波在指定的震源點(通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個炮點布成一條直線)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，產(chǎn)生的地震波在巖石中以面波的形式向前傳播，當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗界面，例如斷層，巖石破碎帶，巖性突變等)時，一部分地震信號返回來，一部分地震信號透射進入前方介質(zhì)，反射的地震信號被兩個三維高靈敏度的地震檢波器(一般左邊墻和右邊墻各一個)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，便可推斷空洞斷層，巖石破碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石力學(xué)參數(shù)。

2.2 紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報方法

對地球表層巖體的溫度起到主導(dǎo)作用的是地球地?zé)釄觥Ｔ谝欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)，深度方向每增加1 km，地?zé)釄龅臏囟葎t相應(yīng)的增加30 ℃，而與其垂直的水平方向，地?zé)釄龅臏囟茸兓瘏s非常小，由此得出結(jié)論，在一定深度下，開挖隧道的巖體，可將其看做位于一恒定溫度場中，為一常溫場，溫度的變化幾乎為零。所以，當預(yù)計即將開挖的掌子面后方存在含有水的巖層，如溶洞、裂隙水等，且該含水巖層與開挖巖體存在一定的溫度差時，巖體中會產(chǎn)生相應(yīng)的熱傳導(dǎo)和對流作用，那么溫度場即不再為恒溫場，故而會產(chǎn)生一定的溫度異常場，由于這種異常的存在，故掌子面上會存在著溫度的差異，所以利用紅外輻射測溫法測定這種溫度變化差異，就可預(yù)報掌子面前方的含水層情況。這種方法就是紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報方法。

2.3 其他幾種超前預(yù)報方法

超前預(yù)報法除了上述介紹的幾種之外，還包括HSP水平聲波刨面法、聲波CT技術(shù)等幾種方法，相對而言，這幾種方法運用較少。以下簡要的介紹這幾種方法的原理:1)HSP水平聲波剖面超前地質(zhì)預(yù)報方法。由于波的傳播過程遵循惠更斯—菲涅爾原理和費馬原理，故該方法的原理是建立在彈性波理論的基礎(chǔ)之上。HSP水平聲波剖面超前地質(zhì)預(yù)報方法有其局限性，探測時的前提條件是巖溶洞穴及充填物與周邊地質(zhì)體間存在較明顯的聲學(xué)特性差異。預(yù)報時，在隧道的施工掌子面或邊墻處發(fā)射低頻聲波信號，同時，在隧道內(nèi)其他地點接收反射波的信號，通過對探測到的反射波信號進行時域、頻域等方法的分析，就可以了解掌子面前方巖體的變化情況。2)聲波CT超前地質(zhì)預(yù)報方法。聲波CT超前地質(zhì)預(yù)報方法的基本原理與醫(yī)學(xué)CT技術(shù)原理相同，在做預(yù)報時也有相應(yīng)的物理前提，即物性差異不同的介質(zhì)，在其內(nèi)部聲波的傳播速度也不同，通過這種預(yù)報方法，在密集對穿的測試方式下，可以通過聲波在不同介質(zhì)中傳播速度的不同來計算模擬出物體內(nèi)部不同物性的具體性質(zhì)，再通過現(xiàn)場收集到的地質(zhì)資料的分析，從而達到對預(yù)報的掌子面前方的巖體內(nèi)部的地質(zhì)體進行三維圖像的直觀展示。

3 常用隧道探測方法的特點

3.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報法的特點

優(yōu)點：1)該方法適用的范圍比較廣，適用于各類地質(zhì)情況；2)對掌子面前方的距離預(yù)報較長，能預(yù)報掌子面前方達500 m深度；3)不影響隧道施工，只是在接收信號時短暫停止施工即可；4)用時短，每次的探測時間約為45 min；5)投入費用較少，單位長度隧道的超前地質(zhì)預(yù)報費用非常低；6)成果報告快，僅需要一天時間即可完成成果報告。

缺點：1)存在部分因斷層、大型節(jié)理帶與掌子面角度為鈍角時，活隧道因開挖空腔擋住地震震源產(chǎn)生的地震波，使其無法穿透，不能經(jīng)過反射鏡面反射，使得待接收裝置無法接收，而導(dǎo)致局部斷層等不被識別。2)TSP的成果質(zhì)量受到現(xiàn)場起爆點、接收點鉆孔的位置、長度以及角度等的影響非常嚴重。3)因為所使用的設(shè)備均為進口設(shè)備，所以成本較高，在普通隧道施工中應(yīng)用較少。

3.2 紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報法的特點

優(yōu)點：預(yù)測速度快，占用施工時間較少；數(shù)據(jù)分析快，預(yù)測工作結(jié)束時，就可以得到初步結(jié)論。

缺點：僅僅可以預(yù)測出含水巖體的大致方位，不能給出含水巖體的具體位置及所含水量及水壓等詳細數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

經(jīng)過前面的總結(jié)分析，我們從總體上了解了隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展概況以及現(xiàn)階段我國所常用的幾種超前探測方法，并對其優(yōu)缺點進行了簡要的分析。近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，將會越來越多地采用數(shù)值模擬計算方法來模擬隧道圍巖的變形。

[1] 鐘宏偉，趙 凌.我國隧道工程超前預(yù)報技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].人民長江，2004，9(35)：15-17.

[2] 岳建華，劉樹才.礦井直流電法勘探[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000：1-13.

Researchingpresentsituationandtrendofdevelopmentofgeologyforecastoftunneling

ZHUFeiLIUGuo-zhengPENGHong-ming

(QinghaiEnvironmentalGeologyExplorationBureau,Xining810007,China)

This article summarizes characteristic and applicable scope of several commonly methods of tunnel forecasts through understanding the development present situation of tunneling the domestic and foreign in advance geology forecast and forecasts the method in advance to the commonly used tunnel the analysis characteristic, and will carry on the forecast to future trend of development, exploring computer technology application of the tunnel forecasts.

tunneling, forecasts, the TSP law, geological radar, infrared to search the water

1009-6825(2014)33-0156-02

2014-09-18

朱 飛(1984- )，男，碩士，工程師

U452.1

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