隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的技術(shù)研究

陳小冬

在地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，由于前期的勘探不能完全探明隧道內(nèi)的地質(zhì)情況，在開(kāi)挖的過(guò)程中經(jīng)常遇到不良地質(zhì)體，給施工帶來(lái)隱患。所以，在開(kāi)挖前對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)判，即進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)已經(jīng)成為隧道工程的一項(xiàng)重要工作。隧道超前預(yù)報(bào)指的是，在隧道施工過(guò)程中，通過(guò)地質(zhì)和物探方法，推測(cè)掌子面前方的地質(zhì)情況，為隧道施工方案提供依據(jù)。

一、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法分類(lèi)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法可分為常規(guī)地質(zhì)法和物探法兩大類(lèi)，具體有超前導(dǎo)坑、正洞地質(zhì)素描、水平超前探孔、聲波測(cè)試、紅外探水、彈性波法和電磁波法。其中超前導(dǎo)坑、正洞地質(zhì)素描和水平超前探孔屬于常規(guī)地質(zhì)法，剩余部分屬于物探法。

1.超前導(dǎo)坑

超前導(dǎo)坑法分為超前平行導(dǎo)坑和超前正洞導(dǎo)坑。平行導(dǎo)坑的布置平行于正洞，斷面小且和正洞之間有一定的距離，在施工過(guò)程中對(duì)導(dǎo)坑中遇到的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面或地下水等情況作地質(zhì)素描圖，通過(guò)做地質(zhì)素描圖對(duì)正洞的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。優(yōu)點(diǎn)是：平行導(dǎo)坑超前的距離越長(zhǎng)，預(yù)報(bào)也越早，施工中就有充分的準(zhǔn)備時(shí)間，可以增加工作面，加快施工進(jìn)度，還可以起到排水減壓放水，改善通風(fēng)條件和探明地質(zhì)構(gòu)造條件的作用。此方法直觀，精度高，預(yù)報(bào)的距離長(zhǎng)，便于施工人員安排施工計(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。但缺陷是成本太高，有時(shí)需要對(duì)全洞進(jìn)行平導(dǎo)開(kāi)挖，且在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)準(zhǔn)確度不高。

2.正洞地質(zhì)素描

地質(zhì)素描是對(duì)開(kāi)挖面的地質(zhì)情況如實(shí)而準(zhǔn)確的反映。主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造發(fā)育情況、地下水的出水狀態(tài)、圍巖的穩(wěn)定性及初期支護(hù)采用的方法等。正洞地質(zhì)素描是利用所見(jiàn)到正洞已開(kāi)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。此法的優(yōu)點(diǎn)是不占用施工時(shí)間，設(shè)備簡(jiǎn)單，不干擾施工，出結(jié)果快，預(yù)報(bào)的效果好，為整個(gè)隧道提供了完整的地質(zhì)資料；缺點(diǎn)是對(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)。

3.水平超前探孔

水平超前探孔方法是在隧道內(nèi)安放水平鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆進(jìn)，根據(jù)隧道中線水平方向上鉆孔資料來(lái)推斷隧道前方的地質(zhì)情況。鉆孔的數(shù)量、角度及鉆孔長(zhǎng)度可人為設(shè)計(jì)和控制。一般可根據(jù)鉆進(jìn)速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液的顏色、氣味、巖粉以及在鉆探過(guò)程中遇到的其他情況來(lái)判斷。這種方法可以反映巖體的大概情況，比較直觀，施工人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況來(lái)安排下一步的施工組織。但該方法也存在不足之處：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。

4.聲波測(cè)試

聲波對(duì)裂隙反應(yīng)很敏感，遇到裂隙即發(fā)生介面效應(yīng)，耗損波能，波形變復(fù)雜，波速減緩，此外，聲波速度的大小還和巖體強(qiáng)度有關(guān)。聲波測(cè)試方法有多種，主要有巖面測(cè)試和孔內(nèi)測(cè)試兩種：（1）巖面測(cè)試是在已開(kāi)挖地段進(jìn)行的，由于隧道開(kāi)挖放炮形成許多張裂隙，所測(cè)波速表面巖石比實(shí)際巖體的波速略偏低。（2）孔內(nèi)測(cè)試分單孔和雙孔兩種。單孔測(cè)試是把發(fā)射源和接收器放在同一孔內(nèi)，但只能測(cè)到鉆孔周?chē)槐恫ㄩL(zhǎng)左右范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。雙孔測(cè)試是把發(fā)射源和接收器放在不同的鉆孔內(nèi)，測(cè)試兩孔之間的巖體波速。

5.紅外探測(cè)

所有物體都發(fā)射出不可見(jiàn)的紅外線能量，能量的大小與物體的發(fā)射率成正比。而發(fā)射率的大小取決于物體的物質(zhì)和它的表面狀況。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)前面存在隱伏含水構(gòu)造或有水時(shí)，他們所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)要疊加到正常場(chǎng)上，從而使正常場(chǎng)產(chǎn)生畸變。據(jù)此判斷掌子面前方一定范圍內(nèi)有無(wú)含水構(gòu)造。紅外輻射曲線上升或下降均可以判定有水，其他情況判定無(wú)水。紅外探測(cè)的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道全空間、全方位的探測(cè)，儀器操作簡(jiǎn)單，能預(yù)測(cè)到隧道外圍空間及掘進(jìn)前方30m范圍內(nèi)是否存在隱伏水體或含水構(gòu)造，可利用施工間歇期測(cè)試，不占用施工時(shí)間。但這種方法只能確定有無(wú)水，沒(méi)有定量的解釋。

6.彈性波法

彈性波超前預(yù)報(bào)技術(shù)按觀測(cè)系統(tǒng)可分為地震反射法、水平聲波剖面法及TSP超前預(yù)報(bào)法。當(dāng)彈性波向地下傳播時(shí)，遇到波阻抗不同的地層界面時(shí)，將遵循反射定律發(fā)生反射現(xiàn)象。介質(zhì)的波阻抗差異愈大，反射回來(lái)的信號(hào)就愈強(qiáng)。

7.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(lái)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)。利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)時(shí)，當(dāng)前方巖石完整的情況下，可以預(yù)報(bào)25m的距離；當(dāng)巖石不完整或存在構(gòu)造的條件下，預(yù)報(bào)距離也能達(dá)到15m左右。雷達(dá)探測(cè)的效果主要取決于不同介質(zhì)的電性差異，即介電常數(shù)，若介質(zhì)之間的介電常數(shù)差異大，則探測(cè)效果就好。在洞內(nèi)測(cè)試時(shí)，由于受干擾因素較多，往往造成假的異常，形成誤判，因此要加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集與處理工作，盡量排除干擾，提高探測(cè)精度。

二、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要難點(diǎn)

1.地質(zhì)勘探的局限性

隧道由于埋深較大的特點(diǎn)，使得勘察工作較難進(jìn)行。同時(shí)受制于本身斷面尺寸的影響，水平鉆孔或超前導(dǎo)坑等方法探測(cè)局限性很大。占用較長(zhǎng)的工期和較高的費(fèi)用。

2.地質(zhì)物性區(qū)別較大

詳細(xì)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)涵蓋地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)和水文等較多內(nèi)容。其中，巖體的構(gòu)造特性、工程特性和完整程度等均表現(xiàn)在力學(xué)性質(zhì)上，而水文特性則主要通過(guò)電性差異體現(xiàn)。任何一種單一類(lèi)型的物探方法都難于很好涵蓋力學(xué)和電學(xué)這兩種物性的變化。

3.地震波震相復(fù)雜

隧道內(nèi)的地震反射波是三維的,要分析反射波的不同方向、波速、反射面位置、反射面性質(zhì)。同時(shí)，要識(shí)別面波、縱波、轉(zhuǎn)換波，遠(yuǎn)比表面觀測(cè)的震相復(fù)雜。

4.預(yù)報(bào)要求的內(nèi)容多、質(zhì)量高

隧道超前預(yù)報(bào)關(guān)心的主要地質(zhì)問(wèn)題有三個(gè)：第一個(gè)是構(gòu)造軟弱帶問(wèn)題，包括斷裂、溶洞、破碎帶等不良地質(zhì)對(duì)象的性質(zhì)、規(guī)模、位置及產(chǎn)狀等；第二個(gè)是危險(xiǎn)的含水、含氣構(gòu)造問(wèn)題，包括含水?dāng)嗔?、含水溶洞、含水松散體等的位置、規(guī)模、富水性、水壓大小等；瓦斯氣的生、儲(chǔ)、蓋地質(zhì)條件；第三個(gè)是圍巖的工程類(lèi)別的問(wèn)題。這三個(gè)問(wèn)題中的每一個(gè)對(duì)工程物探來(lái)說(shuō)都是疑難問(wèn)題。

三、TSP技術(shù)探測(cè)原理

TSP(Tunnel Seismic Prediction)方法是一種類(lèi)似于零偏移距地震多波反射波法，所謂反射波法就是震源激發(fā)的地震波傳播到有波阻抗差異的界面上發(fā)生反射，通過(guò)接收到該反射波后對(duì)其進(jìn)行資料處理，得到界面的構(gòu)造和巖性解釋。我們要利用的有效信息是反射的縱波（P波）和橫波（SH、SV波）。

地震波是由特定位置進(jìn)行小型爆破所產(chǎn)生，測(cè)線布置一般是一系列爆破點(diǎn)沿著隧道左壁或右壁平行隧道底板成直線排列，炮孔深1.5m，間距1.5m。這些震源發(fā)出的地震波在掌子面前方傳播過(guò)程中，遇到地層層面、節(jié)理面、斷層破碎帶界面等不良地質(zhì)界面時(shí)，將產(chǎn)生反射波。反射信號(hào)由傳感器接收，并將接收的數(shù)據(jù)傳送給記錄單元，由于反射信號(hào)的傳送時(shí)間與到地質(zhì)界面的距離成正比，反射信號(hào)的強(qiáng)度與相關(guān)界面的性質(zhì)、界面的產(chǎn)狀密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)反射波數(shù)據(jù)記錄分析，可得出相關(guān)隧道構(gòu)造剖面及圍巖的物理力學(xué)參數(shù)。

P波和S波在巖石中的傳播速度主要取決于巖石彈性性質(zhì)，確定地震波速度不僅可以預(yù)報(bào)前方不良地質(zhì)構(gòu)造，還可以計(jì)算巖石力學(xué)性質(zhì)，預(yù)報(bào)圍巖等級(jí)。彈性波的傳播速度只取決于巖石的彈性模量。巖石的彈性模量的影響因素包括組成該巖石的礦物成份、巖石中孔隙流體性質(zhì)及壓力、溫度等，孔隙度、空隙流體是通過(guò)影響巖體的彈性模量而影響速度的，因此可以通過(guò)測(cè)試巖石的速度參數(shù)來(lái)判定巖性。