綜合物探方法在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

何盼情

(西安交通工程學(xué)院,西安 710300)

0 引言

道路交通對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要,公路、鐵路、橋梁的發(fā)展推動了隧道工程的建設(shè)。我國東西區(qū)域跨度大,道路橋梁建設(shè)地質(zhì)條件較為復(fù)雜,隨著地質(zhì)工程及建筑技術(shù)的發(fā)展,道路建設(shè)往往選擇隧道工程作為應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件的優(yōu)先方案。但隧道工程建設(shè)可能會遭遇塌方、突水、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害,對工程建設(shè)與人身及財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。隧道地質(zhì)超前預(yù)測利用探測技術(shù)可提前了解道路施工前方的地質(zhì)狀況,及時(shí)對隧道施工技術(shù)及施工設(shè)計(jì)進(jìn)行修正指導(dǎo),降低不良地質(zhì)條件帶來的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),提高隧道設(shè)計(jì)及施工效率。由于隧道施工地質(zhì)環(huán)境及條件較為復(fù)雜,傳統(tǒng)單一的物探方法難以獲得精準(zhǔn)的原始地質(zhì)數(shù)據(jù),無法滿足隧道地質(zhì)超前預(yù)測的需求[1]。綜合物探方法能夠解譯各項(xiàng)指標(biāo)體系,提高地質(zhì)超前預(yù)測的精準(zhǔn)度及效率?；诖?研究綜合物探方法在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用,對綜合物探法進(jìn)行技術(shù)及案例研究。

1 隧道地質(zhì)災(zāi)害的常見類型及預(yù)報(bào)方法

我國道路交通覆蓋面越來越廣,隧道施工難度越來越高,地質(zhì)環(huán)境越來越復(fù)雜,山體施工中極易遇到滑坡、泥石流、雨水侵蝕等問題,導(dǎo)致隧道施工出現(xiàn)突水涌水、塌方斷層等情況。表1為隧道地質(zhì)災(zāi)害的常見類型、易發(fā)地區(qū)及注意事項(xiàng),其多出現(xiàn)在雨水充足、風(fēng)化嚴(yán)重的山區(qū),對隧道路線施工安全造成極大威脅,降低了工作效率,大大提升了施工設(shè)計(jì)成本,故需對隧道地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)及施工設(shè)計(jì),避免隧道地質(zhì)災(zāi)害的影響。

為有效防治隧道施工中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害,對隧道地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)測,主要方法包括地質(zhì)調(diào)查法、超前地質(zhì)鉆探法、超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法、物探預(yù)報(bào)法等。其中,物探類超前預(yù)報(bào)法通過探測各介質(zhì)之間的物性差異進(jìn)行預(yù)報(bào),包括多種方法,每種方法適用的地質(zhì)范圍及探測深度不同,探測精度也有所不同。表2是物探超前預(yù)報(bào)方法及性能[2],包括TSP法、探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、TRT法、陸地聲吶法、紅外探測法等。其中,TSP法、瞬變電磁法、TRT法、紅外探測法是精度較低的預(yù)報(bào)方式,探地雷達(dá)法、陸地聲吶法是精度較高的預(yù)報(bào)方式。

表2 物探超前預(yù)報(bào)方法及性能Tab.2 Method and performance of geophysical prospecting advance prediction

根據(jù)表2可知,每種物探超前預(yù)報(bào)方式具有不同的優(yōu)勢和特點(diǎn),但單一的物探方式難以應(yīng)對隧道路線建設(shè)中的地質(zhì)問題,多種物探方式相結(jié)合的綜合物探法能夠提高超前預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度,故選擇TSP法、探地雷達(dá)法及瞬變電磁法進(jìn)行組合,從探測深度、預(yù)測精度、適用范圍、探測水平等方面分析其應(yīng)用優(yōu)勢。從探測深度來看,瞬變電磁法、探地雷達(dá)法、TSP法的探測深度層層推進(jìn),能夠從短、中、長距離上進(jìn)行綜合預(yù)報(bào);從探測精度來看,TSP法和瞬變電磁法的探測精度較低,容易出現(xiàn)各項(xiàng)誤差,探地雷達(dá)法探測精度較高,能夠彌補(bǔ)其他兩種方法精度不足的缺點(diǎn);從適用范圍來看,TSP法適用于巖溶、斷層、破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造,探地雷達(dá)法適用于斷層、破碎帶、巖溶等地質(zhì)構(gòu)造,瞬變電磁法適用于巖溶洞穴與通道、煤礦采空區(qū)、不規(guī)則水體等地質(zhì)構(gòu)造,三種方式相互協(xié)同,彌補(bǔ)彼此的缺點(diǎn)[3]。

2 綜合物探方法在隧道工程中的應(yīng)用

為探測隧道地質(zhì)情況,對綜合物探方法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)技術(shù)方案設(shè)計(jì),選擇TSP技術(shù)進(jìn)行長距離初步探測,包括斷層、破碎帶等結(jié)構(gòu)的大致位置及形狀大小,采用瞬變電磁法進(jìn)行中距離探測,包括水體檢測,明確水量情況,選擇探地雷達(dá)法近距離地對隧道路線中的不良地質(zhì)體進(jìn)行參數(shù)檢測。從范圍、距離、精度等多個(gè)角度相互驗(yàn)證,提高地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的精確性,保證隧道路線設(shè)計(jì)施工的安全性及高效率[4]。

以某省隧道工程為例,此隧道位于我國西南地區(qū),全長約5300 m,所在地區(qū)山體較多,局部地區(qū)較陡,隧道處于構(gòu)造侵蝕的中低山地貌。隧道施工所在區(qū)域?qū)儆诘卣鸹顒虞^為活躍的板塊,地震次數(shù)頻繁且震級較高,各層巖石及斜坡穩(wěn)定性均受到一定的影響。隧道施工區(qū)地表水呈現(xiàn)出較為明顯的季節(jié)特色,雨季水量較大,干旱季節(jié)水量較小。地下水情況和不良地質(zhì)情況如表3所示,地下水包括基巖裂隙水、斷裂構(gòu)造裂隙水及巖溶水等。水質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜,在綜合物探地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注地質(zhì)環(huán)境水體情況,不良地質(zhì)如巖溶、有害氣體、滑坡等,著重考慮不良地質(zhì)條件對隧道施工設(shè)計(jì)的影響,尤其是瓦斯等有害氣體的影響[5]。

表3 隧道地下水與不良地質(zhì)條件情況Tab.3 Underground water in tunnels and bad geological conditions

采用綜合物探法對隧道地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行超前預(yù)測。進(jìn)行現(xiàn)場施工布置,TPS技術(shù)采用TPS儀器(由起爆裝置、檢波器及記錄單元共同構(gòu)成),起爆裝置通過炸藥等激發(fā)地震波,檢波器接收地震波相關(guān)信號,記錄單元記錄地震波信號并轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù);探地雷達(dá)法布置選擇探地雷達(dá)儀器,選定儀器頻率及測線長度,進(jìn)行連續(xù)測量或點(diǎn)測;瞬變電磁法采用瞬變電磁儀,通過設(shè)定不同測線探測方向與地面夾角進(jìn)行信號接收。由此得出隧道某段各項(xiàng)預(yù)報(bào)情況,將其與實(shí)際開挖結(jié)果進(jìn)行對比[6],如表4所示。從三種物探方法來看,TPS法在150 m范圍內(nèi)進(jìn)行檢測,A段波速較小,縱波變化相對更明顯,存在多反射層等情況,推測出該段巖層較為破碎;B段波速較快上升,反射層較多,推測該段巖層破碎,可能存在裂隙水等水體,夾層較多。探地雷達(dá)法對30 m范圍內(nèi)進(jìn)行檢測,A段電磁波信號雜亂無序,分界面較為明顯,推測可能存在巖層破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育等情況;B段反射界面較為明顯,反射波較為雜亂,推測可能存在局部含水情況。瞬變電磁法對100 m范圍內(nèi)進(jìn)行檢測,A段電阻率異常區(qū)域集中, 推測可能出現(xiàn)圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育等情況;B段中高阻異常區(qū)域集中,推測可能出現(xiàn)局部富水,裂隙水量較大等情況。根據(jù)以上結(jié)果進(jìn)行綜合預(yù)報(bào),A段隧道圍巖破碎,存在節(jié)理裂隙發(fā)育等情況,實(shí)際開挖中確實(shí)出現(xiàn)此情況;B段巖層破碎且節(jié)理裂隙較為發(fā)育,預(yù)測可能存在少量水體,實(shí)際開挖中的確存在裂隙出水及巖層破碎等情況。

表4 綜合物探預(yù)測結(jié)果及實(shí)際開挖情況對比Tab.4 Comparison of geophysical prediction results and actualexcavation conditions

3 結(jié)束語

將綜合物探方法應(yīng)用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中,可保證隧道路線設(shè)計(jì)及施工的安全高效。介紹了隧道地質(zhì)災(zāi)害的常見類型,即水涌水、塌方、巖爆、斷層、巖溶發(fā)育等,預(yù)報(bào)方法主要包括TSP法、探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、TRT法、陸地聲吶法、紅外探測法等。結(jié)合各物探法的特點(diǎn)對隧道工程應(yīng)用進(jìn)行分析,將TSP法、探地雷達(dá)法及瞬變電磁法相結(jié)合,能夠從探測深度、預(yù)測精度、適用范圍等方面互補(bǔ),從超前預(yù)報(bào)結(jié)果可知,A段隧道圍巖破碎,存在節(jié)理裂隙發(fā)育等情況;B段存在巖層破碎且節(jié)理裂隙較為發(fā)育,可能存在少量水體。兩段超前預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。