趙娜　張善良　于立紅

摘 要：在隧道施工過程中， 常因地質(zhì)問題出現(xiàn)諸如塌方、涌水、巖爆、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。不僅嚴(yán)重影響工程進(jìn)展， 增加工程造價， 有時甚至?xí)l(fā)生重大安全事故。因此， 在隧道開挖階段如何超前預(yù)報隧道掘進(jìn)方向的地質(zhì)構(gòu)造， 準(zhǔn)確查出圍巖性狀、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育， 特別是溶洞、斷層、破碎帶和含水情況， 以便及時采取有效的預(yù)防措施， 這對于確保施工安全至關(guān)重要。在此將隧道超前預(yù)報常用的幾種方法進(jìn)行簡單的分析。

1 超前預(yù)報目的與內(nèi)容

1.1 目的及內(nèi)容

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。通過超前預(yù)報，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報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)的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖斷面、支護(hù)設(shè)計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災(zāi)害性事故及時提供信息，使工程單位提前做好施工準(zhǔn)備，保證施工安全，同時還可節(jié)約大量資金。所以隧洞超前預(yù)報對于安全科學(xué)施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。地質(zhì)超前預(yù)報的主要內(nèi)容包括掌子面前方的匍巖類別及水文地質(zhì)預(yù)報、不良地質(zhì)體預(yù)報及隧道附近隱伏地質(zhì)異常體的預(yù)報。

1.2 介質(zhì)的物性差異

介質(zhì)為巖土體、水、空氣?？諝獾闹饕镄蕴攸c是電阻率最大；介電常數(shù)最小，一般為1；電磁波速最高，衰減最?。坏卣鸩úㄋ僮钚?，縱波波速一般為 340 m/s。水的物性特點是介電常數(shù)最大，一般為 81；電磁波速最低；地震波波速較小，縱波波速一般為1 430～1 590 m/s。干燥巖土體的物性特點是多數(shù)屬于高阻介質(zhì)，電磁參數(shù)有差異，但差異不大，介電常數(shù)為 4～9，電磁波波速中等；地震波波速相差很大，常見范圍為 1 500～8 000 m/s。 在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中，物探方法常以隧道介質(zhì)的彈性和電性差異為基礎(chǔ)。如 TSP 預(yù)報利用的物性差異是隧道介質(zhì)的彈性，地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報利用的是介電常數(shù)，瞬變電磁法利用的是介質(zhì)的視電阻率，BEAM 預(yù)報利用的是介質(zhì)的激發(fā)極化效應(yīng)。

2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法

2.1 直接預(yù)報法

1、 水平鉆孔

在隧洞內(nèi)安放水平鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆進(jìn)，根據(jù)鉆孔資料來推斷隧洞前方的地質(zhì)情況。鉆孔數(shù)量、角度及鉆孔深度可人為設(shè)計和控制。由鉆進(jìn)速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液顏色、氣味、巖粉及遇到的其它情況來預(yù)報。此法可以反映巖體的大概情況，比較直觀，施工人員可根據(jù)實際地質(zhì)情況進(jìn)行下步施工組織。

2、超前導(dǎo)坑

按導(dǎo)坑與正洞的相互位置分為平行導(dǎo)坑和正洞導(dǎo)坑。其中，平行導(dǎo)坑與正洞平行，斷面小且和正洞之間有一定距離，通過對導(dǎo)坑開挖中遇到的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面或地下水等情況作地質(zhì)記錄與分析，進(jìn)而對正洞地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報。

3、 地質(zhì)分析法

地質(zhì)分析預(yù)報是隧道超前預(yù)報中的一項基本法，地質(zhì)分析方法細(xì)分的種類很多，常見的有：地面地質(zhì)調(diào)查、隧道掌子面地質(zhì)編錄、超前鉆探等。其中，地面地質(zhì)調(diào)查和掌子面地質(zhì)編錄與分析兩種方法的優(yōu)點是不干擾施工，設(shè)備簡單，出結(jié)果快，預(yù)報效果較好，而且為整個隧道提供詳細(xì)的地質(zhì)資料；缺點是對于隧道前方未開挖的不良地質(zhì)容易漏報。

2.2 物探法

1、TSP超前預(yù)報技術(shù)

TSP（Tunnel Seismic Prediction）超前預(yù)報系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧洞掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況。該法屬多波多分量探測技術(shù)，可以檢測出掌子面前方巖性的變化，如不規(guī)則體、不連續(xù)面、斷層和破碎帶等。它可以在鉆爆法或TBM開挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。

2、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)

利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，由掌子面通過發(fā)射天線向前發(fā)射，當(dāng)遇到異常地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時發(fā)生反射并返回，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄下來，形成雷達(dá)剖面圖。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，既波的旅行時間、幅度、頻率和波形等，通過雷達(dá)圖像的處理和分析，可確定掌子面前方界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征。

3、 紅外探水法

由于所有物體都發(fā)射出不可見的紅外線能量，該能量大小與物體的發(fā)射率成正比。而發(fā)射率的大小取決于物體的物質(zhì)和它的表面狀況。當(dāng)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)存在隱伏含水構(gòu)造或有水時，他們所產(chǎn)生的場強要疊加到正常場上，從而使正常場產(chǎn)生畸變。據(jù)此判斷掌子面前方一定范圍內(nèi)有無含水構(gòu)造。

4、BEAM法

BEAM（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring），這是當(dāng)前國際上唯一的一種電法超前預(yù)報方法，是由德國GEOHYDRAULIC DATA公司推出的產(chǎn)品。它是一種聚焦電流頻率域的激發(fā)極化方法，其最大特點是通過外圍的環(huán)狀電極發(fā)射一個屏障電流和在內(nèi)部發(fā)射一個測量電流，以便電流聚焦進(jìn)入要探測的巖體中，通過得到一個與巖體中孔隙有關(guān)的電能儲存能力的參數(shù)PFE（Percentage frequency effect）的變化，預(yù)報前方巖體的完整性和含水性。

此外，尚有電磁波法、面波法、 陸地聲納法、 TRT真地震反射成像技術(shù)、水平聲波剖面法（HSP）、 TST超前預(yù)報技術(shù)、地震負(fù)視速度法等。

2.3 地質(zhì)物探綜合分析法

1、綜合預(yù)報原則

隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)以“地質(zhì)分析”為核心，綜合物探與地質(zhì)分析結(jié)合，洞內(nèi)外結(jié)合，長短預(yù)測結(jié)合，物性參數(shù)互補”為原則。

（1） “地質(zhì)分析”為核心是指地面和掌子面地質(zhì)調(diào)查為主要手段（必要時開展超前鉆孔），并將地質(zhì)分析作為超前預(yù)報的核心，貫穿于整個預(yù)報工作的始終。

（2） “綜合物探與地質(zhì)分析結(jié)合”是指TSP、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁法等綜合物探工作的同時，必須將物探解譯與地質(zhì)分析緊密結(jié)合。

（3） “洞內(nèi)外結(jié)合”是指洞內(nèi)、洞外預(yù)報相結(jié)合，并以洞內(nèi)預(yù)報為主，如地面地質(zhì)調(diào)查是洞外預(yù)報，掌子面素描、超前鉆探和各種物探方法是洞內(nèi)預(yù)報。

（4） “長短預(yù)測結(jié)合”是指在長距離預(yù)報的指導(dǎo)下，進(jìn)行短距離精確預(yù)報，如地面地質(zhì)調(diào)查和 TSP是長距離預(yù)報，掌子面素描、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探等是短距離預(yù)報。

（5） “物性參數(shù)互補”是指選取的物探預(yù)報方法其預(yù)報物性參數(shù)應(yīng)相互補充配合。TSP、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁法、BEAM 等物探方法不一定同時同等使用，應(yīng)在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，考慮“長短預(yù)測結(jié)合”等綜合預(yù)報原則和物探方法適宜性，選取適宜的一種或幾種物探方法進(jìn)行預(yù)報。

2、綜合預(yù)報工作體系

在上述綜合預(yù)報原則的指導(dǎo)下，建立隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報工作路線，。首先對隧址區(qū)勘察設(shè)計資料進(jìn)行詳細(xì)研究，利用地面地質(zhì)調(diào)查等方法，確定斷層和其他不良地質(zhì)體與隧道軸線交點的大概位置，估測巖層、斷層和其他重要地質(zhì)界面的產(chǎn)狀，預(yù)測地下水富存段。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)宏觀地質(zhì)分析預(yù)測成果和掌子面地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合各種物探方法的適宜性，有針對性的選擇一種或者幾種物性參數(shù)互補的物探方法進(jìn)行超前探測與預(yù)報解譯，了解掌子面前方一定距離的詳細(xì)地質(zhì)特征信息。 通過上述地質(zhì)分析和物探預(yù)報解譯，對掌子面前方的基本地質(zhì)條件，包括斷層、巖體破碎情況溶洞、地下水情況、巖體軟硬程度等，進(jìn)行綜合分析預(yù)報，并判斷是否存在不良地質(zhì)體和施工地質(zhì)災(zāi)害，并采取相應(yīng)的措施指導(dǎo)施工。

3 結(jié)語

我堅信，在隧道工程施工中，只要充分掌握地質(zhì)情況，按照我們目前的施工技術(shù)水平，不管多么困難的地段我們都會有辦法安全、順利地通過，這也說明了在隧道工程施工中地質(zhì)工作的重要性。同時，我們也應(yīng)深刻認(rèn)識到超前地質(zhì)預(yù)報工作更需要比較專業(yè)的技術(shù)知識和價格較高的地質(zhì)雷達(dá)等設(shè)備，因此想要在施工過程中全面推廣也會有一定難度。但我們相信，伴隨著人們對隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作重要性的更進(jìn)一步認(rèn)識和當(dāng)今科技的迅猛發(fā)展，一定會有操作更簡單，探測更準(zhǔn)確，計算機(jī)處理水平更高的超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)會應(yīng)運而生，從而為我國的隧道建設(shè)事業(yè)作出更大貢獻(xiàn)。

作者簡介

趙娜，女，現(xiàn)工作于遼寧省有色地質(zhì)局一0八隊，從事土木工程及工程地質(zhì)勘查工作，現(xiàn)職稱：工程師。

張善良，男，現(xiàn)工作于遼寧省有色地質(zhì)局一0八隊，從事地質(zhì)勘查工作，現(xiàn)職稱：工程師。

于立紅，男，現(xiàn)工作于遼寧省有色地質(zhì)局一0八隊，從事地質(zhì)勘查工作，現(xiàn)職稱：工程師。