隧道施工中“長(zhǎng)短結(jié)合”地質(zhì)預(yù)報(bào)

徐光銘， 徐新川

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021）

0 引 言

隧道工程是一項(xiàng)非常復(fù)雜的項(xiàng)目，由于地質(zhì)條件的多樣性和復(fù)雜性，在施工建設(shè)中不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種各樣的地質(zhì)災(zāi)害，例如斷層、突水、突泥、塌方等。這些災(zāi)害的發(fā)生不僅延誤了工程進(jìn)展，更給社會(huì)、國(guó)家和人民造成了巨大的影響和損失。正是由于這些原因的存在，隧道的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作越來(lái)越受到設(shè)計(jì)單位和施工單位的重視，它能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方一定距離的地質(zhì)情況，為應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的前期探測(cè)未發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害做好準(zhǔn)備工作，以防止安全事故的發(fā)生。此外，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作還可以為設(shè)計(jì)單位做設(shè)計(jì)變更提供必要的資料。因此，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作對(duì)隧道工程而言是一項(xiàng)非常重要和必須的工作，應(yīng)該得到大家的重視。

1 國(guó)內(nèi)外常用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法很多，大致分為物探方法、地質(zhì)方法和化探方法。物探方法包括TSP法、TRT法和地質(zhì)雷達(dá)法等；地質(zhì)方法包括掌子面超前鉆孔法和掌子面地質(zhì)編錄法等；化探方法包括對(duì)斷層的二氧化碳、氡氣、汞蒸汽等化學(xué)氣體的探測(cè)。其中，TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法是比較常用的兩種方法［1］。

TSP（Tunnel Seismic Prediction ahead），即隧道地震波超前預(yù)報(bào)，是一種在國(guó)內(nèi)外都比較先進(jìn)的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，它的一次預(yù)報(bào)距離比較長(zhǎng)，最多可達(dá)到150 m，適用于幾乎全部類型地質(zhì)條件的隧道檢測(cè)。而且現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所花費(fèi)的時(shí)間較短，對(duì)隧道施工的影響較小，費(fèi)用也相對(duì)較低［2］。通過(guò)TSD軟件的處理，可以得到深度偏移剖面圖、巖石物理力學(xué)參數(shù)及縱橫波的波速圖等。通過(guò)對(duì)這些圖像進(jìn)行深入分析，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察情況，可以對(duì)掌子面前方一定距離內(nèi)的圍巖等級(jí)、地質(zhì)狀況等有一個(gè)比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。不過(guò)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，TSP法的許多問(wèn)題也是顯而易見(jiàn)的，其中，一個(gè)比較突出的問(wèn)題就是對(duì)一些不良地質(zhì)情況的判斷，主要是根據(jù)技術(shù)專業(yè)人員的多年實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，而這方面的明確指標(biāo)很難制定。

地質(zhì)雷達(dá)法一次預(yù)報(bào)距離較短，但在現(xiàn)場(chǎng)人員的積極配合下，它所花費(fèi)的時(shí)間比TSP法要明顯縮短，而且它對(duì)溶洞和水比較敏感，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的跟蹤預(yù)報(bào)。地質(zhì)雷達(dá)最初是在國(guó)外開(kāi)始流行使用的，他們對(duì)這方面的現(xiàn)場(chǎng)操作、數(shù)據(jù)處理和圖像分析的經(jīng)驗(yàn)比較豐富，使得地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程中的應(yīng)用比較普遍。而國(guó)內(nèi)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的引進(jìn)使用比較晚，對(duì)它的認(rèn)識(shí)還不全面。

綜上所述，TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足之處，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中單一的采用任何一種方法，預(yù)測(cè)結(jié)果都會(huì)存在一些偏差。為充分利用兩種方法的優(yōu)勢(shì)，文中提出在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作中采用“長(zhǎng)短結(jié)合”的預(yù)報(bào)方法，即TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法相結(jié)合。

2 方法原理介紹

2.1 TSP法

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要由3部分組成：TSP主機(jī)、接收器和引爆器。它運(yùn)用的是地震波的回波測(cè)量原理［3］，如圖1所示。

圖1 TSP法工作原理示意圖

地震波波源采用微量乳化炸藥激發(fā)產(chǎn)生，大致為50 g，可根據(jù)具體地質(zhì)條件適當(dāng)增減。通常在隧道的一側(cè)邊墻直線布置24個(gè)炮孔，第一個(gè)炮孔距離掌子面大約5 m左右，每個(gè)炮孔間距1.5 m，深1.5 m，高1 m，最后一個(gè)炮孔距離接收孔20 m。接收孔要求深2 m，高1 m，用于接收器的安放。爆破產(chǎn)生的地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面（即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等）時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的接收器接收。反射信號(hào)的旅行時(shí)間和反射界面的距離成正比，故而能提供一種直接的測(cè)量。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)與對(duì)空雷達(dá)的原理十分相似，都是基于地下介質(zhì)的電性差異，向地下發(fā)射高頻電磁波，并接收地下介質(zhì)反射的電磁波進(jìn)行處理、分析、解釋的一項(xiàng)工程物探技術(shù)［4］。其工作原理如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

通過(guò)發(fā)射天線向掌子面前方發(fā)射高頻電磁脈沖信號(hào)，在電磁波向前傳播的過(guò)程中，當(dāng)遇到空洞、裂隙、巖溶、富含水等電性差異的目標(biāo)體時(shí)，電磁波便會(huì)反射回來(lái)，并由接收天線接收記錄反射時(shí)間t［5］。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原始剖面上含有較多的干擾波存在，主要為側(cè)面反射波、多次波及因掌子面凹凸不平形成的局部振蕩干擾［6］。為了消除干擾信號(hào)，突出掌子面前方的有效信號(hào)，對(duì)原始探測(cè)剖面采取了去直流漂移、自動(dòng)增益控制、抽取平均道、帶通濾波等處理，最后根據(jù)電磁波在圍巖中的傳播速度計(jì)算異常體的存在范圍［7］。

3 工程實(shí)踐

正在修建的山東省某城市環(huán)城路隧道，隧道采用雙向六車道山嶺隧道形式，左線（樁號(hào)ZK1＋149～ZK2＋299）長(zhǎng)1 150 m，右線（樁號(hào)YK1＋152～YK2＋300）長(zhǎng)1 148 m。隧址區(qū)屬低山丘陵、剝蝕殘丘地貌，山體植被發(fā)育，沿線有薄層第四系松散堆積物覆蓋，地段基巖裸露，出露巖層為奧陶系下統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r。沿線地下水類型主要為四系松散堆積孔隙水和石灰?guī)r巖溶裂隙水。為探明隧道前進(jìn)方向的地質(zhì)災(zāi)害情況，在施工單位的要求下，采取了“長(zhǎng)短結(jié)合”的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，取得了比較好的效果，為隧道施工提供了可靠的參考依據(jù)。

下面以左線的一段ZK1＋209～ZK1＋299為例。先看一下用TSP法探測(cè)的地質(zhì)情況，圖中方框部分為反射異常區(qū)域，如圖3所示。

圖3 TSP深度偏移圖

預(yù)測(cè)范圍內(nèi)地質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 TSP預(yù)測(cè)地質(zhì)情況表

從圖3結(jié)果來(lái)看，前方地質(zhì)情況比較復(fù)雜，波速相對(duì)較低，圍巖等級(jí)比較差。推斷在掌子面前方90 m范圍內(nèi)，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，巖體比較破碎，穩(wěn)定性差，且掌子面前方63 m（樁號(hào)ZK1＋272）附近有一個(gè)比較明顯的弱反射帶，波速下降明顯，推斷可能為一碎石夾層。為了確保施工安全性，當(dāng)開(kāi)挖至樁號(hào)ZK1＋261時(shí)，用地質(zhì)雷達(dá)又做了一次預(yù)測(cè)試驗(yàn)，探測(cè)結(jié)果如圖4所示。

結(jié)合掌子面的地質(zhì)情況和施工圖紙，預(yù)測(cè)在樁號(hào)ZK1＋271附近有一個(gè)碎石夾層，與TSP預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合。實(shí)際的開(kāi)挖結(jié)果證明了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，確實(shí)是一碎石夾層。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)大量的工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以對(duì)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作做出一些總結(jié)：

1）隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)對(duì)于隧道工程的施工是有很大的指導(dǎo)性意義的，在隧道施工過(guò)程中，及時(shí)開(kāi)展超前預(yù)報(bào)工作，應(yīng)該得到各個(gè)施工單位的重視。在測(cè)試過(guò)程中，施工單位要給予積極的配合和幫助，減少機(jī)械設(shè)備的影響，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性［8］。

2）“長(zhǎng)短結(jié)合”的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對(duì)于一般性的隧道，其預(yù)測(cè)結(jié)果基本上滿足要求。但對(duì)于一些地質(zhì)情況特別復(fù)雜的隧道，應(yīng)該同時(shí)采取多種預(yù)測(cè)手段，為隧道施工提供更加準(zhǔn)確的資料。

3）TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法的解釋過(guò)程需要有經(jīng)驗(yàn)豐富的人做指導(dǎo)，還必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況。地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度還有待進(jìn)一步提高。

［1］ 王夢(mèng)恕.對(duì)巖溶地區(qū)隧道施工水文地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的意見(jiàn)［J］.鐵道勘察，2004（1）：33-36.

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［3］ 宋先海，顧漢明，肖柏勛.我國(guó)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)述評(píng)［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2006（2）：25-27.

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［8］ 余中明.探地雷達(dá)在隧道掘進(jìn)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)與勘察，1999，35（3）：30-31.