隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探析

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(bào)的目的、內(nèi)容及方法,探析了各種地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法的機(jī)理及特點(diǎn),分析了隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(bào);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(jìn)度,增加工程造價(jià),導(dǎo)致工程事故時(shí)有發(fā)生,因此在隧道施工中進(jìn)行準(zhǔn)確快速的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是十分必要的。采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào),結(jié)合常規(guī)圍巖變形監(jiān)測(cè)等多種手段,對(duì)隧道的圍巖實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)面附近時(shí)空變形的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)分析,并對(duì)隧道的襯砌狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),為施工設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性依據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控手段,能夠達(dá)到安全施工和優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。開挖前對(duì)地質(zhì)情況的了解,對(duì)于隧洞建設(shè)有著十分重要的作用,在工程實(shí)施中,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)廣泛用于長、大隧道及重點(diǎn)工程的施工。

1隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的就是要通過超前預(yù)報(bào)措施,及時(shí)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(hù)設(shè)計(jì)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(bào)的內(nèi)容

2.1圍巖類別預(yù)報(bào)

預(yù)報(bào)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(jì)文件進(jìn)行比較,隨時(shí)為修改設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)類型參數(shù)、確定二次襯砌時(shí)間提供可靠的數(shù)據(jù)。

2.2水文地質(zhì)預(yù)報(bào)

預(yù)報(bào)洞內(nèi)涌水量的大小,涌水壓力及其變化規(guī)律,評(píng)價(jià)其對(duì)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(bào)

預(yù)報(bào)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(bào)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(bào)

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(yùn)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(píng)估其對(duì)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(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)耐久性和安全運(yùn)營的目標(biāo)。

2.5有害氣體預(yù)報(bào)

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(cè)隧洞內(nèi)有害氣體成分、含量及動(dòng)態(tài)變化情況。

3隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法很多,根據(jù)實(shí)施方法可分為常規(guī)地質(zhì)法和工程物理探測(cè)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(bào)經(jīng)常是在物探法懷疑前方有不良地質(zhì)體時(shí)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(yàn)獲得巖石強(qiáng)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(bào)效果較差,很難預(yù)測(cè)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(duì)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(duì)正洞的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。

超前平行導(dǎo)坑法最為直觀,精確度高,預(yù)報(bào)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(jì)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(diǎn)是成本高,影響施工進(jìn)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(bào)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(hù)方法等。地質(zhì)素描法預(yù)報(bào)不占用施工時(shí)間,設(shè)備簡單,不干擾施工,出結(jié)果快,預(yù)報(bào)的效果好,而且為整個(gè)隧道提供了完整的地質(zhì)資料。但地質(zhì)素描對(duì)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(bào),對(duì)于向掌子面前方傾斜的結(jié)構(gòu)面因?yàn)橄仍陧敳砍霈F(xiàn),預(yù)報(bào)時(shí)效果相對(duì)較差。

3.2工程物探法

3.2.1紅外探測(cè)

地下水的活動(dòng)會(huì)引起巖體紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)的變化,當(dāng)隧道掌子面前方及周邊介質(zhì)單一時(shí),所測(cè)得的紅外場(chǎng)為正常場(chǎng);當(dāng)前方存在隱伏含水構(gòu)造或有水時(shí),所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)疊加到正常場(chǎng)上,從而使正常場(chǎng)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(cè)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(bào)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(cè)

聲波對(duì)裂隙反應(yīng)很敏感,聲波探測(cè)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(cè)反射信號(hào),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(cè)劃分隧道圍巖級(jí)別,劃分地層界線,探測(cè)隱伏斷層、破碎帶,探測(cè)巖溶、地下洞穴,測(cè)定含水層分布,查找地質(zhì)構(gòu)造,探測(cè)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(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)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(cè)法,該方法主要是配合地震反射法(負(fù)視速度法),通過測(cè)定與巖溶含水性有關(guān)介電常數(shù)的變化來探測(cè)充水地質(zhì)體,探測(cè)距離一般小于30m,在潮濕含水層中小于10m,廣泛用于探測(cè)隱伏斷層、破碎帶;探測(cè)地下巖溶、洞穴;探測(cè)地層劃分、巖性界面等。試驗(yàn)表明,采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧底、邊墻、隧頂外圍巖的不良地質(zhì)探測(cè)效果最好,結(jié)合超前平導(dǎo)應(yīng)用可對(duì)正洞起到超前預(yù)報(bào)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(bào)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(cè)量技術(shù)公司引進(jìn)的一套先進(jìn)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)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(jì)的震源點(diǎn)(通常在隧道的左墻或右墻處,大約24個(gè)炮點(diǎn))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(shí),一部分地震信號(hào)反射回來,另一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì),反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收。通過對(duì)接收信號(hào)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)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(bào)系統(tǒng)可以預(yù)報(bào)150m～250m的距離,在地質(zhì)條件較好時(shí),可以預(yù)報(bào)更長的距離。

4隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)展望

盡管隧洞施工超前預(yù)報(bào)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(shí)有發(fā)生。因此,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)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(qiáng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)理論研究,加強(qiáng)探測(cè)新技術(shù)、新方法的研究和先進(jìn)儀器的研制與開發(fā),同時(shí)建立不良地質(zhì)界面的特征識(shí)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(bào)和不同物探設(shè)備各自的特點(diǎn),相互配合驗(yàn)證,實(shí)施綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等方面是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作亟待進(jìn)一步發(fā)展和解決的問題。

5結(jié)語

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)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(jìn)行。隧洞施工超前預(yù)報(bào)是一項(xiàng)復(fù)雜而艱難的任務(wù),需在工程實(shí)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(bào)工作任重而道遠(yuǎn)。

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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。