張海奇

（廣東陽(yáng)茂高速公路有限公司，廣東 陽(yáng)江 529800）

隧道施工是交通網(wǎng)絡(luò)中較為重要的組成部分。開鑿隧道是山區(qū)交通線路施工中必不可少的環(huán)節(jié)，隨著交通線路的擴(kuò)張，隧道的長(zhǎng)度也在不斷增加，跨度也隨之得到了增長(zhǎng)。復(fù)雜地質(zhì)下隧道的開挖面臨著較大的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在巖溶地帶的隧道施工中，更容易發(fā)生坍塌等安全事故。文章結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某隧道開挖過程中綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用進(jìn)行了探討，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的施工研究提供具有價(jià)值的參考資料。

1 工程概況

在中低山地區(qū)中有一個(gè)隧道，其施工區(qū)域最低高度可達(dá)460m，最高部分可達(dá)870m，該工程的相對(duì)高差最小可達(dá)到200m，最大可達(dá)到400m。在施工中，這個(gè)隧道洞身的地質(zhì)為可溶巖巖層，也可以稱其為巖溶壟崗地貌。此外，在隧道的兩邊分布著溝谷坡地，中間區(qū)域地質(zhì)條件為壟崗。該隧道的起點(diǎn)可記作DK136+997，終點(diǎn)為DK138+871，其總長(zhǎng)度達(dá)到1.874km。本隧道中有一段雙線隧道，其直線部分的起點(diǎn)為DK136+997，終點(diǎn)為DK137+648.643，埋深最大可達(dá)到0.355km，其余標(biāo)段位于曲線上，曲面半徑達(dá)到6km。

2 巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)內(nèi)容

（1）預(yù)報(bào)內(nèi)容包括對(duì)各級(jí)巖層進(jìn)行預(yù)報(bào)，這些數(shù)據(jù)可以作為判斷整個(gè)巖層穩(wěn)定性能的重要依據(jù)，根據(jù)這一預(yù)報(bào)有助于對(duì)設(shè)計(jì)中的支護(hù)類型進(jìn)行優(yōu)化，便于確定二次襯砌達(dá)到最佳施工效果的施工時(shí)間[1]。

（2）借助于勘測(cè)開挖掌子面所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)條件來預(yù)測(cè)其前方的巖層，主要關(guān)注是否存在溶洞，若存在，對(duì)其規(guī)格大小、洞內(nèi)填充物的狀況進(jìn)行預(yù)判，綜合考慮這些地質(zhì)條件是否會(huì)對(duì)工程的施工產(chǎn)生安全威脅，之后根據(jù)這些預(yù)測(cè)報(bào)告確定與之相適應(yīng)的解決方案，以確保施工的順利開展。

（3）對(duì)隧道巖層的水文情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，主要判定在施工中是否可能出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，以及在上述現(xiàn)象發(fā)生之后是否會(huì)影響整個(gè)施工過程，并給出相應(yīng)的解決方案[2-3]。

（4）監(jiān)測(cè)施工區(qū)域內(nèi)是否會(huì)產(chǎn)生有害氣體，以免影響施工的安全系數(shù)。

3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用

3.1 地質(zhì)調(diào)查法

合理地使用地質(zhì)調(diào)查法是在巖溶隧道中開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。施工人員運(yùn)用地質(zhì)調(diào)查法，通過查探地質(zhì)檔案、記載的勘察資料等方式大致了解施工區(qū)域的地質(zhì)情況，之后借助赤平極射投影法，在相關(guān)地質(zhì)理論的輔助下判斷每個(gè)施工段的地質(zhì)條件，便于在不同的地質(zhì)環(huán)境下選擇合理的探測(cè)方法。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法又稱地磁波法，該種勘測(cè)方法的探測(cè)系統(tǒng)由兩部分組成，即天線的發(fā)射和天線的接收。天線的發(fā)射指其產(chǎn)生的廣譜電磁波可以探測(cè)到地下介質(zhì)。在不同的巖性地質(zhì)中所產(chǎn)生的介電常數(shù)是不一樣的，因而可通過分析介電常數(shù)來分析巖層地下水的發(fā)育情況，及時(shí)掌握巖溶地貌的情況[4]。其具體的原理圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)探測(cè)原理圖

通過這種探測(cè)方法可以繪制出電磁反射波普?qǐng)D，施工人員對(duì)該圖進(jìn)行解譯，制成對(duì)應(yīng)的地質(zhì)條件報(bào)告。本隧道中巖溶的情況比較復(fù)雜，既有地表產(chǎn)生的溶蝕地貌，又有大型的溶洞，體積較小的溶丘散落分布在巖溶洼地中。

鑒于上述內(nèi)容，可以采用雷達(dá)探測(cè)的方式來詳細(xì)了解隧道中的溶蝕情況。本工程的雷達(dá)探測(cè)主機(jī)型號(hào)SIR-20，該雷達(dá)探測(cè)機(jī)由美國(guó)研制開發(fā)，增添了具有屏蔽功能的天線，其屏蔽頻率為100MHz，目的是為了增加探測(cè)的次數(shù)，使之探測(cè)出的情況與實(shí)際的開挖情況形成對(duì)比，減少施工的失誤。正常情況下，當(dāng)所探測(cè)的地層為溶蝕破碎地帶、巖溶管道等地方時(shí)，獲得的反射信號(hào)是相當(dāng)強(qiáng)的，這樣一來可以準(zhǔn)確地識(shí)別出該施工區(qū)域的水分。使用這種探測(cè)方式唯一的缺點(diǎn)是探測(cè)的深度容易受到地質(zhì)條件的影響，一般只能探測(cè)到深度為20m左右的地質(zhì)環(huán)境，若探測(cè)區(qū)域地質(zhì)條件較差，只能探測(cè)到深度為15m左右的地質(zhì)環(huán)境。在不同巖層中巖性的變化和構(gòu)造的破碎會(huì)使得地震波在傳播的過程中發(fā)生變化，因而在隧道的上部和下前方會(huì)產(chǎn)生地震波的反射，在這種情況下產(chǎn)生的聲阻抗與正常地質(zhì)條件下產(chǎn)生的聲阻抗有很大的區(qū)別。在巖層的兩側(cè)產(chǎn)生的聲阻抗差異越大，意味著界面上地震波所受到的反射越強(qiáng)烈，反之則弱。

3.3 TSP地震波反射探測(cè)法

TSP地震波反射探測(cè)法適用于不均勻的地質(zhì)環(huán)境，因而在施工中可以借助人工開挖側(cè)壁的方式使微型震源的排列比較規(guī)則，進(jìn)而激發(fā)地震波使之以球面擴(kuò)散的方式傳遞到溶巖隧道，擴(kuò)散的地震波被接收器接收，并產(chǎn)生不同的波形，這種波形的變化即為勘測(cè)到的地質(zhì)條件的變化。相關(guān)的施工人員分析接收的波紋的傳播速度，勘測(cè)地震波的強(qiáng)度，分析其延遲的時(shí)間，記錄其傳播路徑，再結(jié)合專業(yè)的地質(zhì)分析理論可以全面了解巖溶隧道中圍巖的地質(zhì)條件。

本工程中在掌子面中出現(xiàn)了平面形狀的溶洞，使用TSP探測(cè)，可以增大對(duì)溶洞情況的了解程度。如果出現(xiàn)的溶洞形狀并不規(guī)則，各有差異時(shí)，繼續(xù)使用TSP地震波反射探測(cè)方法將很難探測(cè)出實(shí)際的地質(zhì)條件。因而需要結(jié)合具體的施工實(shí)際來選擇探測(cè)方法，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)所在。TSP探測(cè)原理圖如圖2所示。

圖2 TSP探測(cè)原理圖

3.4 超前水平鉆孔法

超前水平鉆孔法也是綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的重要組成部分[5]。這種地質(zhì)勘測(cè)的辦法需要借助鉆機(jī)鉆探來完成對(duì)隧道掌子面位置的地質(zhì)勘測(cè)工作。在鉆探的過程中需要參考相關(guān)的數(shù)據(jù)資料。根據(jù)地質(zhì)條件的不同，諸如在斷層帶探測(cè)施工地質(zhì)條件、在瓦斯隧道探測(cè)施工地質(zhì)情況等，可以采用兩種鉆探方法進(jìn)行勘測(cè)：一是取芯鉆鉆探，二是沖擊鉆鉆探。本工程屬于巖溶隧道，在施工中為了增強(qiáng)鉆探施工的準(zhǔn)確性，布孔時(shí)需在掌子面上依據(jù)參考數(shù)據(jù)均勻布置，還需控制孔的位置及鉆探的角度，這樣才能確保鉆孔施工順利勘測(cè)出施工區(qū)域的地形條件。除此之外，在鉆孔的過程中要全程監(jiān)測(cè)，注意記錄鉆孔的施工效率、出水量，這樣才可以為判定探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)條件提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

3.5 瞬變電磁法

瞬變電磁探測(cè)技術(shù)本質(zhì)上指時(shí)間域電磁法，基本原理在于發(fā)射電流方波，此過程中該波形在下降的瞬間將沿電流方向產(chǎn)生一次瞬變磁場(chǎng)，在此環(huán)境下圍巖將形成渦流，并且具有圍巖導(dǎo)電能力與渦流大小呈正比的變化關(guān)系。瞬變磁場(chǎng)消失后，感應(yīng)渦流進(jìn)入過渡衰減階段，此時(shí)將形成二次感應(yīng)磁場(chǎng)，通過小線圈便可接收該感應(yīng)磁場(chǎng)，以所得的接收結(jié)果為依據(jù)準(zhǔn)確判斷圍巖介質(zhì)情況。

由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜，隧道施工空間較為狹小，超期預(yù)報(bào)工作的開展難以獲得充足的空間支持，故易出現(xiàn)超前預(yù)報(bào)進(jìn)度受阻、所得結(jié)果精度不足等問題。而小線圈瞬變電磁則正好解決了此類問題，其具有體積小、探測(cè)精度高等優(yōu)勢(shì)，在隧道物探中具有顯著的應(yīng)用效果。小線圈瞬變電磁法可應(yīng)用到巖溶洞穴、圍巖等地質(zhì)環(huán)境中，由此實(shí)現(xiàn)超前預(yù)報(bào)。在合理應(yīng)用瞬變電磁法后，可根據(jù)所得結(jié)果進(jìn)一步輸出圖形，其主要包含兩種情況，各自都有其獨(dú)特之處。一是巖溶隧道充水，此時(shí)視電阻率在溶洞充水區(qū)域發(fā)生較大幅度的下降，相較于周邊區(qū)域而言其明顯偏低，視電阻率等值線則具有閉合的特點(diǎn)，若巖溶破碎較為明顯，則視電阻率等值線的分布密度更大。二是巖溶隧道不含水，此時(shí)視電阻率表現(xiàn)出高阻的特征，即視電阻率值大幅度提升，通過對(duì)視電阻率等值線的分析可知，其在巖溶破碎區(qū)域分布更為密集。依托于瞬變電磁的多解性特征，再綜合考慮地質(zhì)勘查等方面的資料，能夠?qū)Φ刭|(zhì)狀況做出較為準(zhǔn)確的判斷，依次為依據(jù)合理組織施工作業(yè)，創(chuàng)造安全的施工環(huán)境。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，巖溶地層的特殊性在無形中增大了施工的難度，使得工程施工的安全系數(shù)受到很大的影響。對(duì)此，可以使用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)來增強(qiáng)施工地質(zhì)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，全面地預(yù)測(cè)施工區(qū)域的地質(zhì)條件，對(duì)不良地質(zhì)條件采取合理的應(yīng)對(duì)方案，避免施工中出現(xiàn)較大的安全事故。文章所提及的綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)取得了良好的監(jiān)測(cè)效果，具有很大的推廣價(jià)值。