綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在大型復(fù)雜地下工程中的應(yīng)用

雷春英，尚億軍

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)

摘要：大型復(fù)雜地下工程建設(shè)過程中面臨危險源多，涉及面廣，各因素層次復(fù)雜等情況，對工程的正常施工提出了嚴峻考驗。通過研究大量成功預(yù)報的案例，完善典型不良地質(zhì)體的解譯標志，優(yōu)化預(yù)報組合方案，構(gòu)建綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系，可有效解決單一物探方法多解性的缺點，大大提高不良地質(zhì)體預(yù)報的準確度，達到安全、經(jīng)濟、高效的目標。

關(guān)鍵詞：綜合超前地質(zhì)預(yù)報；TSP；GPR；大型復(fù)雜地下工程

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.019

Abstract:The multi-hazard，wide-covered，complex factors during the large complex underground construction process posed severe challenges to the construction project.A large number of successfully forecast cases were studied，and bad typical geological interpretation signs were perfect.Combination forecasting scheme was optimized.Comprehensive geological prediction system was constructed to effectively solve the disadvantage of multiple solutions of single geophysical methods，and greatly improve the accuracy of prediction of adverse geological.The target of safe，economical and efficient is achieved.

收稿日期：2015-06-13.

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃重點項目(2011BAB05B03)和武漢市科技計劃項目(2013030409020108).

作者簡介：雷春英(1986-)，碩士，助理實驗師.E-mail:chunyinglei0402@163.com

Discussion on Comprehensive Advance Geology

Forecast Technology in the Large and Complex Underground Projects

LEIChun-ying，SHANGYi-jun

(School of Resource and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Key words:comprehensive geological forecast;TSP;GPR;large and complex underground projects

近年來，大型復(fù)雜地下工程如長深埋型復(fù)雜隧道施工、大型地下礦山、城市復(fù)雜環(huán)境下隧道等的掘進及開采過程中，施工掌子面前方常常面臨非常復(fù)雜的不良地質(zhì)體，往往會誘發(fā)多種地質(zhì)災(zāi)害，而地質(zhì)災(zāi)害的不可選擇性、復(fù)雜性、特殊性和突發(fā)性，常常成為制約工程順利進行的最主要因素[1-3]。因此，在大型復(fù)雜地下工程的施工過程中，更要充分地了解前方圍巖的地質(zhì)條件，快速做出反應(yīng)，從而有效指導(dǎo)施工的順利進行，防止災(zāi)害的發(fā)生。

超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)大型復(fù)雜地下工程建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，然而，許多針對具體問題的超前預(yù)報技術(shù)、如何提高預(yù)報的準確性和及時性等，仍是國內(nèi)外工程地質(zhì)界備受關(guān)注的難題[4]。國內(nèi)外學(xué)者對超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的研究和應(yīng)用十分重視，取得了一定的發(fā)展和成果。國內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)經(jīng)過幾十年的研究，預(yù)報手段也由傳統(tǒng)的地質(zhì)分析法發(fā)展到目前的地質(zhì)分析與地球物理探測、超前鉆探法相結(jié)合的綜合超前預(yù)報技術(shù)，近年來，綜合超前預(yù)報技術(shù)已在隧道、礦上等工程中取得了成功的運用[5-8]。從當(dāng)前各種超前地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用情況可知，每種方法都不可避免地存在局限性，且預(yù)報的測試結(jié)果具有多解性，特別是大型復(fù)雜地下工程的施工，更需要建立起一套綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系，通過多種手段綜合運用，多種方法相互印證、補充，才能取長補短，提高預(yù)報的準確度[9]。

1常用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)比較

超前地質(zhì)預(yù)報方法一般可分為四類，包括地質(zhì)分析法、物理探測法、超前鉆探法和超前導(dǎo)洞法，而常用的方法為前三類[10]。每一類超前地質(zhì)預(yù)報方法包括不同的預(yù)報技術(shù)，我國最常用的預(yù)報技術(shù)有地質(zhì)素描、TSP地震波反射法、地質(zhì)雷達(GPR)探測、超前水平鉆孔等。

地質(zhì)素描是地質(zhì)分析法中最常用的方法，也是綜合地質(zhì)預(yù)報最基本的方法，為其他預(yù)報方法提供最基礎(chǔ)的地質(zhì)指導(dǎo)資料，適用于各種地質(zhì)條件的超前地質(zhì)預(yù)報。TSP和GPR探測法是物理探測法中使用頻率較高的預(yù)報方法，TSP探測法對規(guī)模較大的不良地質(zhì)體探測效果較好，適用于長距離探測斷層、破碎帶、巖層分界面等；GPR是物探方法中分辨率最高的探測方法，對含水體反應(yīng)敏感，適用于短距離探測裂隙水、空洞[11]；高分辨電法和紅外探測法是含水體探測、地下水賦存量探測常用的預(yù)報方法，高分辨電法常用于預(yù)報掌子面前方含水量、導(dǎo)水構(gòu)造分布和發(fā)育情況；紅外探測法可預(yù)報掘進前方30 m范圍內(nèi)有無含水?dāng)鄬雍腿芏?。超前水平鉆孔法是超前鉆探法中最為常用的一種，是預(yù)報不良地質(zhì)體最直接、最有效的手段，常用于斷層、破碎帶、含水層、重大物探異常段等的輔助驗證[12]。超前地質(zhì)預(yù)報常用方法比較如表1所示。

表1　超前地質(zhì)預(yù)報常用方法比較

在超前地質(zhì)預(yù)報過程中，每一種超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的物理基礎(chǔ)不同，對不同地質(zhì)的預(yù)測效果不盡相同，體現(xiàn)的每種預(yù)報方法的優(yōu)缺點。由于采用單一的預(yù)報方法存在多解性和局限性，而綜合過多的方法導(dǎo)致成本過高，要解決這一矛盾，就要根據(jù)不同預(yù)報方法的特點，結(jié)合常規(guī)的地址分析法，優(yōu)化方案組合，形成最優(yōu)的綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系，達到既安全、經(jīng)濟、高效的目標。

2綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系在復(fù)雜地下工程中的應(yīng)用思路

大型復(fù)雜地下工程的地質(zhì)預(yù)報遵循多方法、多頻次相互印證的原則，采用長短結(jié)合、上下對照、定性與定量相結(jié)合的方法建立綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系。將探測區(qū)域按照地質(zhì)復(fù)雜程度分級標準進行分級，地質(zhì)復(fù)雜程度等級可分為復(fù)雜、較復(fù)雜、中等復(fù)雜、簡單 4 級[13]。大型復(fù)雜地下工程的施工應(yīng)建立綜合、完善的超前地質(zhì)預(yù)報方案，在地質(zhì)調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，掌握探測區(qū)域總體情況，從宏觀上把握探測區(qū)域的地質(zhì)復(fù)雜程度，辨識高風(fēng)險段落；再進行長距離的常規(guī)預(yù)報，對復(fù)雜、較復(fù)雜等級的預(yù)報區(qū)段，應(yīng)選擇短距離的物探組合方法，做加強預(yù)報或重點預(yù)報，技術(shù)路線如圖1所示。

由于不同的地下工程的差異性，綜合超前預(yù)報的關(guān)注重點會不同，例如，長深埋型復(fù)雜隧道具有長直的特點，施工超前探測首先關(guān)注圍巖的穩(wěn)定性，首先選用長距離探測技術(shù)；而大型地下礦山巷道彎道多，更適用短距離探測方法，側(cè)重選擇對水體精度高的探測技術(shù)。但不論是哪一種類型的大型復(fù)雜地下工程，建立綜合超前地質(zhì)預(yù)報方案的總體思路不變，根據(jù)圖1的技術(shù)路線圖，可建立三階段的綜合超前預(yù)報方案。

1)宏觀預(yù)報。常規(guī)地質(zhì)預(yù)報是基礎(chǔ)，通過地質(zhì)調(diào)查了解地層巖性、對施工影響較大的地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)及地下水特征，再通過地質(zhì)素描將勘察和地質(zhì)調(diào)查得到的地質(zhì)信息投影到施工段，達到細化和補充的作用。

2)長距離預(yù)報。通過TSP探測方法進行長距離預(yù)報，取得掌子面前方不良地質(zhì)體的類型、位置等信息，結(jié)合常規(guī)地質(zhì)預(yù)報獲得的信息，進一步分析掌子面前方可能存在的地質(zhì)問題。由于TSP存在多解性，只能推斷異常區(qū)段可能存在的地質(zhì)問題，因此，對高風(fēng)險區(qū)段需要在進行短距離二次預(yù)報或驗證預(yù)報。

3)短距離預(yù)報。根據(jù)前期預(yù)報的不良地質(zhì)體情況，結(jié)合各種探測技術(shù)對不同地質(zhì)體的識別特性，選用GPR、紅外探測法或高分辨電法進行中短距離探測，得到掌子面 30～80 m范圍內(nèi)圍巖不良地質(zhì)體更為具體的信息，如三維定位數(shù)據(jù)、含水量等信息。若探測區(qū)段幾次預(yù)報結(jié)果不一致或者不良地質(zhì)體風(fēng)險較高時，需要再通過超前水平鉆探進行驗證預(yù)報。

3應(yīng)用實例總結(jié)

通過研究眾多成功預(yù)報的案例得知，TSP和GPR是兩種最常用的預(yù)報方法，TSP探測在地質(zhì)條件十分復(fù)雜的長深埋隧道方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，GPR在短距離探測、水體探測上具有較好的精度。在實際工作中，通過總結(jié)這兩種探測技術(shù)對不良地質(zhì)體的響應(yīng)特征，建立解譯標志，是提高預(yù)報效果的有效途徑。

1)參考已有的簡單的 TSP 解譯準則，結(jié)合大量TSP預(yù)報的經(jīng)驗成果，總結(jié)TSP對常見不良地質(zhì)體的判識準則，如表2所示。

表2　常見不良地質(zhì)體的TSP解譯標志

2)參考地質(zhì)雷達剖面上識別各種波的四個標志，即反射波振幅大小及相位正反、反射波波形特征、頻率特征和時差變化規(guī)律，通過對大量GPR反射波的識別、對比，對預(yù)報數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)GPR對常見不良地質(zhì)體的判識準則，如表3所示。

根據(jù)以上解譯原則和實際工作經(jīng)驗，結(jié)合眾多大型地下工程綜合超前地質(zhì)預(yù)報的工程經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)在掘進過程中，多采用 TSP進行探測，到接近巖性變化較大的軟弱面或富水層時，針對性選用短距離探測技術(shù)，既能準確地預(yù)報掌子面前方的地質(zhì)情況，又能減少探測時間，加快施工速度。針對幾種常見不良地質(zhì)體，提出了綜合超前地質(zhì)預(yù)報的優(yōu)化組合方案，如表4所示。

表3　常見不良地質(zhì)體的GPR解譯標志

表4　常見的四種不良地質(zhì)體超前地質(zhì)預(yù)報的優(yōu)化組合方法

4結(jié)論

應(yīng)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，準確、精確掌握隧道及地下工程地質(zhì)信息，是提高工程建設(shè)質(zhì)量，保證施工、運營安全的堅實保障。針對大型地下工程的綜合超前預(yù)報，研究眾多成功預(yù)報的案例，得出以下結(jié)論：

a.通過分析常用地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對不同地質(zhì)體的響應(yīng)特征，提出建立大型復(fù)雜地下工程綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系的思路，從宏觀預(yù)報，長距離預(yù)報到短距離預(yù)報，不同風(fēng)險等級的探測區(qū)域形成不同的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方案，可以有效解決單一預(yù)報方法具有多解性的缺點，預(yù)報結(jié)論更可靠。

b.研究總結(jié)眾多成功預(yù)報的案例，在已有的解譯準則的基礎(chǔ)上，總結(jié)出不同地質(zhì)體的在TSP和GPR中的解譯標志，提高預(yù)報準確性。

c.在地質(zhì)+物探+鉆探的經(jīng)典方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同地質(zhì)體特點，提出富水帶、破碎帶、斷層和溶洞四種不良地質(zhì)體的綜合超前地質(zhì)預(yù)報優(yōu)化組合方案，有效提高施工效率，降低成本。

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