蔣月文，胡 義

(1.重慶能科工程勘察有限公司，重慶 400060;2.長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

眾所周知，困擾隧道工程界最大的一個(gè)難題即為巖溶問(wèn)題，隧道開(kāi)挖過(guò)程中具有一定的隨機(jī)性，同時(shí)巖溶地質(zhì)本身具有高度復(fù)雜性，在對(duì)巖溶隧道進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)過(guò)程中，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率和可靠性很難得到保證。預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率偏低往往給工程建設(shè)造成災(zāi)害性損失。在地質(zhì)條件復(fù)雜的巖溶地區(qū)，深長(zhǎng)隧道施工面臨的風(fēng)險(xiǎn)更大，能夠準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)掌子面前方是否有充水巖溶、地下暗河等不良地質(zhì)，以及這些構(gòu)造的幾何形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模大小等，對(duì)于工程施工順利進(jìn)行顯得極為重要。然而，在工程實(shí)際中，施工單位往往采用單一的技術(shù)手段進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，不同預(yù)報(bào)方法各有所長(zhǎng)，同時(shí)又有著各自的局限性，因而探尋能夠建立系統(tǒng)的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，克服單一預(yù)報(bào)方法的局限性顯得尤其必要。

本文在分析各種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年地質(zhì)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)提出了巖溶隧道綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以期提高巖溶地區(qū)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的精度，最大程度地減少地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失［1－5］。

1 巖溶隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法

目前，國(guó)內(nèi)外運(yùn)用于巖溶地區(qū)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的方法主要有:地質(zhì)調(diào)查分析法、超前水平鉆法、波反射法等［6］。

1.1 地質(zhì)調(diào)查分析法

地質(zhì)調(diào)查分析法主要包括斷層參數(shù)法、趨勢(shì)外推法、相關(guān)關(guān)系法等。主要從兩方面進(jìn)行調(diào)查:一是對(duì)隧址區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料進(jìn)行分析，根據(jù)隧道穿越地區(qū)巖層出露情況查明區(qū)域地層的地質(zhì)年代、巖性、結(jié)構(gòu)特征和地質(zhì)構(gòu)造等，進(jìn)一步通過(guò)作圖及構(gòu)造相關(guān)性分析，由地面出露的構(gòu)造產(chǎn)狀對(duì)在隧道穿越深度位置進(jìn)行推測(cè)。二是根據(jù)掌子面巖溶發(fā)育情況、巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀以及巖體破碎程度、巖石的變質(zhì)程度等變化特征推測(cè)掌子面前面出現(xiàn)的構(gòu)造及性質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。預(yù)測(cè)隧道可能存在的不良地質(zhì)現(xiàn)象的類(lèi)型、部位、規(guī)模［7］。

1.2 超前水平鉆探法

在隧道施工掌子面進(jìn)行超前水平鉆探，通過(guò)鉆速、巖芯采取率、鉆孔巖芯鑒定以及強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)確定掌子面前方巖層的展布、巖體完整性、軟硬程度以及可能存在巖溶空洞的分布位置，以起到很好探水的作用，從而進(jìn)行預(yù)報(bào)［8］。

1.3 紅外探水法

所有物體都會(huì)發(fā)射出肉眼無(wú)法看見(jiàn)的紅外線，這種紅外線的能量大小與物體發(fā)射率成正相關(guān)。物體組成成分和表面狀況決定發(fā)射率的大小。當(dāng)隧道施工面前方及隧道周邊巖層單一時(shí)，接收到的紅外場(chǎng)為正常場(chǎng)，當(dāng)前面存在含水構(gòu)造或充水巖溶時(shí)，這些含水體產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)在原有場(chǎng)上進(jìn)行疊加，從而使正常場(chǎng)產(chǎn)生變化。通過(guò)測(cè)試這種紅外場(chǎng)的異常變化來(lái)對(duì)前方是否含有含水體進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1.4 地震波探測(cè)法

地震波探測(cè)法(TSP)是通過(guò)動(dòng)力學(xué)參數(shù)(動(dòng)態(tài)彈性模量、剪切模量、泊松比、密度、彈性縱波速度、彈性橫波速度等)對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行綜合評(píng)估，有利于及時(shí)預(yù)報(bào)隧道掌子面前方100～150 m及周?chē)?0 m范圍內(nèi)影響隧道施工質(zhì)量和安全的不良(或特殊)地質(zhì)問(wèn)題。其主要查明的地質(zhì)問(wèn)題有:①軟弱巖層(包括含煤地層)的分布;②斷層及其破碎帶;③節(jié)理裂隙密集帶;④含水情況;⑤巖溶洞穴。

1.5 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是各種地球物理方法之中分辨率較好的方法，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的運(yùn)用非常廣泛。地質(zhì)雷達(dá)法主要運(yùn)用電磁波探測(cè)技術(shù)，根據(jù)發(fā)射和接收電磁波走時(shí)差，從而確定目標(biāo)以及目標(biāo)的形態(tài)和屬性，對(duì)施工面前方破碎帶充水溶腔等不良地質(zhì)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2 單一預(yù)報(bào)手段的局限性

2.1 地質(zhì)分析法

通過(guò)洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查獲得的信息對(duì)于進(jìn)一步的預(yù)報(bào)工作起著非常重要的作用，但是要熟練地運(yùn)用該方法必須具有扎實(shí)的地質(zhì)基本功和豐富的地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)，其難度大于其他手段，且采用單一的地質(zhì)分析法作出預(yù)報(bào)側(cè)重于宏觀的判斷，細(xì)微的局部災(zāi)害難以精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。

2.2 超前水平鉆探法

在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，由于巖溶的發(fā)育具有隨機(jī)性，超前水平鉆探在鉆進(jìn)過(guò)程中僅憑一孔之見(jiàn)很可能避開(kāi)充水巖溶，而造成誤判。同時(shí)僅憑鉆進(jìn)情況很難分清巖溶規(guī)模形態(tài)各項(xiàng)特征。

2.3 紅外探水法

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究紅外探水方法在理論上具有可行性，但紅外方法仍具有很大的局限性。首先在于探測(cè)距離較短，且非常容易受到洞內(nèi)機(jī)械振動(dòng)、洞內(nèi)照明等干擾場(chǎng)的影響，采集的數(shù)據(jù)做出的判斷可能不與實(shí)際情況吻合。

2.4 地震波探測(cè)法

中國(guó)鐵路系統(tǒng)隧道施工過(guò)程中廣泛采用TSP技術(shù)，但該技術(shù)仍存在很多技術(shù)缺陷，主要表現(xiàn)在:①在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，過(guò)多的數(shù)據(jù)參數(shù)選取無(wú)直接理論、試驗(yàn)依據(jù)，增大參數(shù)選取的隨機(jī)性，使得結(jié)果的不確定性和離散型較大;②易被巖層中對(duì)隧道正常施工影響不大的各種結(jié)構(gòu)面影響，波的疊加干擾造成誤判，巖體波速的測(cè)試往往比實(shí)際情況偏高，易造成了很多誤報(bào)、漏報(bào)等情況。

2.5 地質(zhì)雷達(dá)法

隧道地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用缺陷在于:①電磁波的傳播過(guò)程中有較大的衰減，導(dǎo)致預(yù)報(bào)距離短;②在隧道所處的施工環(huán)境中抗干擾能力差。導(dǎo)致使反射圖雜亂而影響判斷;③雷達(dá)反射圖像的判釋難度較高，地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性使得難以建立簡(jiǎn)單的方法準(zhǔn)則，完全取決于判釋人員的素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)。

3 巖溶隧道綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

綜上所述，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變、隧道施工環(huán)境的干擾性以及人為因素的影響使得單一的技術(shù)手段要獲取完整精確的地質(zhì)預(yù)報(bào)非常困難，要取得可靠的超前預(yù)報(bào)結(jié)果必須采取綜合方法，建立以地質(zhì)分析法為基礎(chǔ)，多種物探方法為手段相互印證的綜合施工地質(zhì)預(yù)報(bào)體系統(tǒng)［9－10］。在預(yù)報(bào)過(guò)程中充分利用洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，避免物探手段預(yù)報(bào)的盲目性，同時(shí)使用各種物探手段相互印證結(jié)果達(dá)到長(zhǎng)短結(jié)合，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。巖溶隧道綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)見(jiàn)圖1:

圖1 巖溶隧道綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)Fig.1 The system of integrated geologic prediction in karst tunnel

4 結(jié)語(yǔ)

目前巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要有地質(zhì)調(diào)查分析法、超前水平鉆探法、紅外探水法、TSP法，地質(zhì)雷達(dá)法等。

單一的預(yù)報(bào)手段由于受技術(shù)水平、隧道施工環(huán)境的干擾以及人為因素影響有著各自的局限性。

為了克服單一預(yù)報(bào)手段的局限性，應(yīng)建立綜合施工地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。實(shí)施過(guò)程中以地質(zhì)分析法為基礎(chǔ)和核心，各種物探方法和超前水平鉆探為手段，長(zhǎng)、短期結(jié)合相互印證，取長(zhǎng)補(bǔ)短，是改進(jìn)隧道超前預(yù)報(bào)工作的唯一方法。應(yīng)避免盲目選用單一的施工預(yù)報(bào)方法，在預(yù)報(bào)過(guò)程中做到準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、高效、及時(shí)。

［1］ 劉志剛.概論巖溶或地質(zhì)復(fù)雜隧道地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2003(2):1－4.

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