地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在隧道施工中的應(yīng)用及重要性

摘 要：國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展向基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了新的要求。目前，我國(guó)加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，而隧道工程也是設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，其在山區(qū)路網(wǎng)交通工程中起著至關(guān)重要的作用。由于受各種條件限制，隧道在前期設(shè)計(jì)勘察的時(shí)候往往不能完全真實(shí)地反映出地質(zhì)情況，這就可能給施工帶來(lái)一定的安全問題，因此，做好隧道施工前的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)非常有必要。文章中，筆者將會(huì)對(duì)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的一個(gè)重要工具—地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)的介紹與分析，為提高隧道施工的安全提供若干參考建議。

關(guān)鍵詞：羅圈背隧道；地質(zhì)超前預(yù)報(bào)；電磁波反射法；預(yù)報(bào)結(jié)果論證

公路施工過程往往要遇到一些斷面、埋深以及長(zhǎng)度都較大的隧道。這些隧道在進(jìn)行施工的時(shí)候，一般難以準(zhǔn)確掌握其隨深度變化的次級(jí)斷層、含水體、巖溶及瓦斯等因素特性，這加加大了施工的難度，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性后果。因此，要在隧道開挖前進(jìn)行精確的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)，突破傳統(tǒng)的探測(cè)手段，引進(jìn)先進(jìn)探測(cè)技術(shù)尤為重要。下文，筆者將以某高速公路羅的圈背隧道為實(shí)例，對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在實(shí)際施工中的應(yīng)用及意義進(jìn)行分析。

一、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法

（一）工程地質(zhì)分析法

1.工程地質(zhì)原理。構(gòu)造地質(zhì)、巖石力學(xué)、水文地質(zhì)以及工程地質(zhì)學(xué)為工程地質(zhì)分析法提供了理論基礎(chǔ)和地質(zhì)體的投射技術(shù)，將隧道所體現(xiàn)的地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造面產(chǎn)狀、地層巖性、地下水的出露點(diǎn)位置以及出水情況、出水量等進(jìn)行準(zhǔn)確、詳細(xì)的記錄，并繪制成圖表，參考已有的勘測(cè)資料，對(duì)隧道開挖前的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

2.工程地質(zhì)分析方法。工程地質(zhì)分析法一般包括兩種形式：地表地質(zhì)補(bǔ)充勘察和掌子面地質(zhì)素描調(diào)查法。地質(zhì)素描對(duì)隧道掌子面的地質(zhì)情況進(jìn)行真實(shí)、準(zhǔn)確、詳細(xì)的記錄，可以為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供基本依據(jù)，并為圍巖類別判斷提供最直面的資料，同時(shí)用以推斷掌子面進(jìn)深

方向圍巖狀況主要參照物及地質(zhì)狀況邊界條件。要保證地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作的順利開展，必須進(jìn)行準(zhǔn)確的地質(zhì)分析。對(duì)隧道所在區(qū)域的溪溝河流分布、地形地貌、巖性接觸帶、向、背斜以及大斷層等整體分布狀況進(jìn)行系統(tǒng)、深入分析。全面了解地質(zhì)條件，要求我們?cè)诠ぷ鬟^程中進(jìn)行必要的地質(zhì)地表補(bǔ)充調(diào)查，也可以通過調(diào)查來(lái)提高對(duì)場(chǎng)地地質(zhì)特征規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。一般來(lái)說，補(bǔ)充調(diào)查主要對(duì)場(chǎng)地工程地質(zhì)以及水文地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查與分析研究。

（二）電磁波反射法

1.電磁波反射法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)原理。地質(zhì)雷達(dá)（GPR）探測(cè)是一種科學(xué)、行之有效的地球物理探測(cè)技術(shù)，其通過高頻脈沖電磁波的運(yùn)用，對(duì)地下介質(zhì)的分布進(jìn)行精確探測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射天線可以向隧道前方地層定向發(fā)射高頻脈沖電磁波，電磁波在傳播途中遇到物性不同的目標(biāo)體或介質(zhì)界面時(shí)即發(fā)生透射和反射，接收天線接受反射波信號(hào)后，便直接傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)疊加、濾波、整形及放大處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī)、經(jīng)過信號(hào)處理就可用來(lái)判斷地下目標(biāo)的深度、大小和方位等特性參數(shù)。原理如圖1所示：

實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)及相關(guān)理論證明，電磁波于介質(zhì)或物體中傳播速度（v）、走時(shí)（t）以及和介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)（Er）關(guān)系如下：

公式中：z-反射界面深度，x-發(fā)射天線與接收天線之間的距離，v-電磁波于介質(zhì)之中的傳播波速，c-光速（c=0.3m/ns，），εr-介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)當(dāng)波速v已知時(shí)，通過讀取雷達(dá)剖面上行程時(shí)間來(lái)計(jì)算界面深度z 值。

界面反射系數(shù)及介質(zhì)波吸收程度會(huì)對(duì)電磁脈沖信號(hào)的強(qiáng)弱有關(guān)，一般介質(zhì)的電性相差比較大，因此不同介質(zhì)的反射系數(shù)也大，導(dǎo)致反射波能量也大，這為地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)提供了前提條件。

雷達(dá)接收信號(hào)的強(qiáng)弱與地層的衰減、雷達(dá)天線特性、反射特征、目標(biāo)體深度以及雷達(dá)的發(fā)射功率與工作頻率均有關(guān)系。在地下介質(zhì)及儀器性能不變的情況下，地層衰減系數(shù)及工作頻率選擇將決定探測(cè)深度。

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在探測(cè)深度及分辨率上存在著優(yōu)選或取舍問題。一般由探測(cè)深度的分辨率可以推出探測(cè)深度和天線頻率，探測(cè)深度的分辨率越高，意味著探測(cè)深度淺。天線頻率高。

2.電磁波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具體操作。

（1）位置及長(zhǎng)度測(cè)試。擬在隧道的全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)和預(yù)報(bào)。單次預(yù)報(bào)的長(zhǎng)度從掌子面起延伸至進(jìn)深方向15-50米左右，具體的長(zhǎng)度根據(jù)視圍巖的質(zhì)量而定。

（2）測(cè)線布置。地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置于隧道掌子面上，測(cè)線之間的距離不能超過待測(cè)目標(biāo)體橫向尺寸。其布置方法靈活多變，共有測(cè)線、測(cè)點(diǎn)以及網(wǎng)格三種形式供選擇。一般情況下，檢測(cè)目標(biāo)為掌子面，中心為拱頂，2條測(cè)線布置成“十”字形，采用點(diǎn)測(cè)法解決開挖工作面不符條件的問題，一般點(diǎn)距為0.05～0.1m。遇上比較復(fù)雜的地段，可以布置4條“井”字形的雷達(dá)測(cè)線，必要的時(shí)候?yàn)樘岣咛綔y(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性可以加密雷達(dá)測(cè)線。條件充足時(shí)探測(cè)可選擇支架進(jìn)行輔助，如圖2所示。

在實(shí)際操作中，測(cè)線條數(shù)要根據(jù)開挖方式的調(diào)整來(lái)選擇。如雙側(cè)壁的導(dǎo)坑開挖在單個(gè)掌子面上測(cè)線累計(jì)達(dá)到6條，臺(tái)階分布的開挖測(cè)線數(shù)累計(jì)可達(dá)7條。如遇上特殊情況，還可在拱頂和隧道側(cè)壁增補(bǔ)測(cè)線，以保證通過地質(zhì)雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體多方位、多角度的測(cè)試，從而提高地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)工作可靠與準(zhǔn)確。

（3）地質(zhì)雷達(dá)儀器。RAMAC/GPR地質(zhì)雷達(dá)（瑞典MALA Geoscience公司），雷達(dá)采用了寬頻帶、高頻、短脈沖及高速采樣技術(shù)等。儀器配置包括：主機(jī)、發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)、電池包和計(jì)算機(jī)等。如圖3所示。

在雷達(dá)連續(xù)掃描過程中，可采用地質(zhì)雷達(dá)的配套R(shí)eflexw-2D軟件來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)濾波處理可通過豐富的數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并將優(yōu)良的地質(zhì)雷達(dá)波譜作為地質(zhì)解釋重要材料。采用100MHz屏蔽天線來(lái)進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)，探測(cè)深度可達(dá)30m，時(shí)間窗口600ns。

（三）地震波反射法

地震波預(yù)報(bào)通過TGP206型的超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括儀器有三部分：主機(jī)、配件及處理軟件。

1.地震波反射法的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)原理。地震波超前預(yù)報(bào)利用地震波在巖體傳播過程中于聲阻抗界面產(chǎn)生的地震反射波原理，隧道巖體中地震波傳播的信息通過儀器設(shè)備來(lái)采集，對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)處理，在已有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，綜合分析并準(zhǔn)確推斷隧道前方的地質(zhì)條件，達(dá)到地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的目的。

小藥量炸藥于隧道邊墻風(fēng)鉆孔里爆炸產(chǎn)生地震波震源，于洞壁一側(cè)直線布置激發(fā)炮孔。采用三份量的采集模式接收地震波，在與炮孔高程相等的洞壁鉆孔里面安置接收探頭，并實(shí)現(xiàn)與鉆孔巖體的良好耦合，隧道左右壁鉆孔里也各布置一個(gè)。地震波的傳播形式呈球面波形，若地震波遇上巖體聲波阻抗存在有差異的界面時(shí)，部分的地震波信號(hào)便會(huì)反射回來(lái)，而部分信號(hào)將透射進(jìn)前方巖體繼續(xù)進(jìn)行反射作用。高靈敏地震檢波器將全程接收地震波信號(hào)。地震波信號(hào)傳播距離與傳播時(shí)間成正比，傳播速度與傳播時(shí)間成反比；界面聲阻抗性質(zhì)與巖體性質(zhì)影響地震波信號(hào)的傳播與衰減。

預(yù)報(bào)應(yīng)該掌握隧道地震波全波列信息，并對(duì)全波列進(jìn)行系統(tǒng)分析。隧道預(yù)報(bào)工作應(yīng)當(dāng)與隧道施工緊密聯(lián)系，在特定的間隔距離內(nèi)進(jìn)行連續(xù)預(yù)報(bào)，確保隧道施工工序的安全性和預(yù)報(bào)資料分析的準(zhǔn)確性。連續(xù)無(wú)間斷與資料進(jìn)行重復(fù)對(duì)比，可以有效提高預(yù)報(bào)成果的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。

2.地震波反射法的處理及流程分析。

二、工程概括

羅圈背隧道的起訖樁號(hào)是左洞ZK138+847～ ZK139+980，右洞是YK138+890～YK140+013。左洞長(zhǎng)度為1133米，而右洞長(zhǎng)度為1123米，二洞的平均長(zhǎng)度為1128.00米，屬于長(zhǎng)隧道。進(jìn)行分離式雙洞布置。此隧道的最大埋深170米左右。

三、地質(zhì)探測(cè)結(jié)果分析（此處以部分結(jié)果示例）

（一）ZK139+872～ZK139+844段

本次探測(cè)在里程樁號(hào)為ZK139+872的隧道出口掌子面上開展。圖1記錄著此次探測(cè)的地質(zhì)雷達(dá)信息。雷達(dá)記錄顯示，此次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)出來(lái)的有效預(yù)報(bào)距為28m，里程樁為ZK139+872～ZK139+84段。掌子面里程樁號(hào)為ZK139+872～ZK139+857段，該段圍巖局部存在較強(qiáng)的雷達(dá)反射波，反射波波幅呈高幅，波形連續(xù)，該段圍巖的局部比較破碎，圍巖是中～微風(fēng)化砂巖的夾砂礫巖，而圍巖節(jié)理的裂隙較發(fā)育，但整體的穩(wěn)定性相對(duì)差，圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)；里程樁號(hào)為ZK139+857～ZK139+844段，該段圍巖中的能量反應(yīng)比較弱，但局部稍強(qiáng)，波幅為低幅，波形相對(duì)完整，可以推測(cè)該段圍巖比較完整，裂隙局部發(fā)育較好，該段圍巖為夾砂礫巖，節(jié)理裂隙局部發(fā)育較好，此段圍巖的穩(wěn)定性稍好，等評(píng)定為Ⅲ級(jí)。此段于圖紙中的圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

施工過程應(yīng)該堅(jiān)持“勤量測(cè)、弱爆破、短開挖、強(qiáng)支護(hù)及早封閉的開挖原則，在開挖的時(shí)候，應(yīng)盡量減少或避免損傷圍巖，防止因裂隙發(fā)育而出現(xiàn)的嚴(yán)重拱頂?shù)魤K，甚至坍塌等破壞現(xiàn)象。因此，在該段施工過程中應(yīng)該注意做好防護(hù)工作，嚴(yán)格控制好炸藥的用量，杜絕超挖現(xiàn)象，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，對(duì)圍巖實(shí)行立架噴漿支護(hù)，從而達(dá)到穩(wěn)定圍巖目的，避免或減少掉塊傷人事故。地質(zhì)雷達(dá)的超前預(yù)報(bào)為無(wú)損地球物理的勘探技術(shù)，但難以標(biāo)定圍巖的波速，可能存在著距離誤差。

（二）YK139+730～YK139+700段

本次探測(cè)在里程樁號(hào)為YK139+730的隧道出口掌子面上開展。圖2記錄著此次探測(cè)的地質(zhì)雷達(dá)信息。雷達(dá)記錄顯示，此次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)來(lái)的有效預(yù)報(bào)距離30m，里程樁號(hào)為YK139+730～YK139+70段。掌子面里程樁號(hào)為YK139+730～YK139+715段，該段圍巖局部存在稍弱的雷達(dá)反射波，低幅反射波，圍巖相對(duì)破碎，而節(jié)理裂隙發(fā)育較好，可能出現(xiàn)裂隙水，這跟掌子面的圍巖相似；而里程樁號(hào)為的YK139+715～YK139+700段，該段圍巖中的能量反應(yīng)比較強(qiáng)烈，同相軸不但連續(xù)，反射波的波幅高且寬，該段圍巖相對(duì)破碎，裂隙發(fā)育較好，圍巖比掌子面略微有偏差。此段圍巖呈塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖的穩(wěn)定性較差，圍巖等級(jí)評(píng)定為Ⅴ級(jí)。而此段于圖紙中的圍巖等級(jí)是IV級(jí)。

建議施工時(shí)堅(jiān)持“勤量測(cè)、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”的開挖原則。在開挖時(shí)，應(yīng)該盡量減少或避免對(duì)鄰近巖石的損傷，防止裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致嚴(yán)重的拱頂?shù)魤K甚至坍塌等現(xiàn)象的出現(xiàn)。建議在進(jìn)行該段施工時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)本段的防護(hù)工作，嚴(yán)格控制開挖，嚴(yán)禁超挖，應(yīng)盡可能減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)?？梢詫?duì)圍巖進(jìn)行噴漿立架支護(hù)，以穩(wěn)定圍巖，防止掉塊傷人和塌方事故的發(fā)生。由于地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)屬于無(wú)損地球物理勘探技術(shù)，且對(duì)于圍巖波速無(wú)法進(jìn)行標(biāo)定，可能存在距離誤差。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在實(shí)際的隧道施工過程中，如果預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，巖層結(jié)構(gòu)情況和圖紙上的設(shè)計(jì)存在很大差別，就會(huì)大大增加施工的危險(xiǎn)性，與直接影響施工的進(jìn)程。如果不采取科學(xué)、有效的預(yù)報(bào)手段，掌握正確的預(yù)報(bào)方法，規(guī)范圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，而只是盲目地遵循圖紙上的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際施工，不僅不能有效開展工作，還可能使施工在缺乏風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避的情況下造成損失，甚至更為嚴(yán)重的后果。因此，在進(jìn)行隧道施工之前，一定要認(rèn)真做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，確保施工的可行性、科學(xué)性和安全性。

在羅圈背隧道工程的實(shí)際施工過程中，我方已經(jīng)加大超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作力度，而預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率也達(dá)到90%以上，可以有效地指導(dǎo)隧道施工，為工程開展提供重要的參考依據(jù)。通過對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的采集與分析，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工過程中的重要性得以驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：吳鵬，福建路橋建設(shè)有限公司。