超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工中的應(yīng)用

　　隧道工程地質(zhì)情況具有復(fù)雜性和不可見性，通過采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可以減少隧道施工過程中的盲目性，能較好的避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。本文總結(jié)了隧道施工中常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其對各種不良地質(zhì)情況的響應(yīng)和適宜性，為選擇適宜的預(yù)報(bào)方法提供依據(jù)。在隧道施工中宜采用超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)技術(shù)，超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)應(yīng)以“地質(zhì)分析為核心，運(yùn)用物探與鉆探相結(jié)合、長距離與短距離相結(jié)合、地面與地下相結(jié)合、物性參數(shù)互補(bǔ)”為原則。

　　《現(xiàn)代地質(zhì)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1987年，堅(jiān)持辦刊的“四新”原則——新觀點(diǎn)、新成果、新方法、新動(dòng)向，以交流地質(zhì)科技最新成果、推動(dòng)地質(zhì)科技創(chuàng)新與發(fā)展、服務(wù)于國家礦產(chǎn)資源的勘探與開發(fā)事業(yè)為宗旨，報(bào)道內(nèi)容涵蓋“基礎(chǔ)地質(zhì)”、“能源地質(zhì)”、“海洋地質(zhì)”、“災(zāi)害地質(zhì)”、“勘查地球物理”、“勘查地球化學(xué)”和“地學(xué)信息技術(shù)”等學(xué)科領(lǐng)域。目前已被國內(nèi)外多家數(shù)據(jù)庫和圖書館收藏。

　　1引言

　　我國是一個(gè)多山國家,西部腹地更是山嶺重重。伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大型基礎(chǔ)工程設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，特別是近年來隨著西部大開發(fā)的深入，鐵路、公路工程、水利水電中新建隧道工程規(guī)模越來越宏大，而這些隧道工程都具有洞徑大、埋藏深、洞線長的共同特點(diǎn)，且往往地表地勢險(xiǎn)要，洞線通過的地質(zhì)條件復(fù)雜。隧道施工的主要依據(jù)是設(shè)計(jì)文件，而隧道工程設(shè)計(jì)的基本依據(jù)是地質(zhì)勘察資料。勘察設(shè)計(jì)階段的工作重點(diǎn)往往關(guān)注的是與工程的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行特點(diǎn)相關(guān)的主要地質(zhì)條件，而對于影響局部施工的小的、局部的地質(zhì)情況在受自然條件、勘察技術(shù)、經(jīng)濟(jì)問題的局限勘察設(shè)計(jì)階段一般都不要求詳細(xì)查明。但一些局部的、分散的、隨機(jī)的不良地質(zhì)洞段卻是施工最大的安全隱患，主要表現(xiàn)為隧道施工中塌方、突水、涌泥、巖爆、有害氣體等地質(zhì)災(zāi)害。大量的隧道工程建設(shè)實(shí)踐表明，由于前期地質(zhì)勘測資料的缺陷，給后期施工階段帶來許多預(yù)想不到的困難和危害，使施工帶有很大的盲目性，一旦發(fā)生事故，輕則影響工期，增加工程投資，重則砸毀機(jī)械設(shè)備，甚至造成人員傷亡，而且事故發(fā)生后的處理工作難度較大。在施工過程中由不良地質(zhì)體導(dǎo)致隧道修建嚴(yán)重受挫的實(shí)例在國內(nèi)外不乏其例，如2007年8月湖北宜萬鐵路野三關(guān)隧道工程掘進(jìn)面發(fā)生的突水、突泥事故，造成了巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。因此在隧道施工時(shí)，對隧道掘進(jìn)方向的地質(zhì)情況通過技術(shù)手段進(jìn)行超前預(yù)報(bào)、預(yù)測，以便提早、及時(shí)地采取有效的施工方法，就顯得尤為重要。

　　2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法分類及主要方法介紹論文

　　隧道所處地質(zhì)條件或者地質(zhì)背景千差萬別，不同地質(zhì)背景條件下的隧道施工對隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的要求是不一樣的：可溶性地層中隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)是巖溶發(fā)育的位置、規(guī)模、巖溶充填性質(zhì)、巖溶涌水涌沙突泥量及涌水水壓的大小;非可溶性巖沉積巖地層中的隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)在于對斷裂構(gòu)造破碎帶、軟弱夾層、不利結(jié)構(gòu)面等造成的圍巖不穩(wěn)定塊體坍塌等的位置和規(guī)模的預(yù)報(bào);深埋硬質(zhì)完整巖體中的隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)則是對可能出現(xiàn)的巖爆災(zāi)害位置和規(guī)模進(jìn)行預(yù)報(bào);煤系地層中隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)主要是對煤層、可能出現(xiàn)的瓦斯突出、廢棄礦巷的位置及廢棄礦巷充填情況的預(yù)報(bào)。由此可見，隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)不僅僅進(jìn)行某一方面的內(nèi)容，往往同時(shí)兼有其他的預(yù)測內(nèi)容，有必要進(jìn)行隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分類。根據(jù)技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)方法不同，隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以分為(圖1)：

　　2.1地質(zhì)分析法論文

　　地質(zhì)分析法主要根據(jù)隧道洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及相關(guān)分析結(jié)論進(jìn)行預(yù)報(bào)，是隧道施工期超期地質(zhì)預(yù)報(bào)中最基本和最常用的方法，常用的是地質(zhì)素描。地質(zhì)素描是對開挖面的地質(zhì)情況如實(shí)而準(zhǔn)確的描述，素描的主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造發(fā)育情況含斷層、貫穿性節(jié)理、夾層或巖脈、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)素描超前預(yù)報(bào)是利用所見到正洞已開挖段的地質(zhì)情況預(yù)報(bào)前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)條件。正洞地質(zhì)素描的優(yōu)點(diǎn)是不占用施工時(shí)間，設(shè)備簡單，不干擾施工，出結(jié)果快，能提供了完整的地質(zhì)資料。缺點(diǎn)是對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)，如對結(jié)構(gòu)面向開挖后方傾斜的斷層預(yù)報(bào)效果較好，因?yàn)閿鄬酉仍谒淼赖壮雎秾τ谙蛘谱用媲胺絻A斜的結(jié)構(gòu)面因?yàn)橄仍陧敳砍霈F(xiàn)，預(yù)報(bào)時(shí)效果相對較差，另外預(yù)測距離也較短，采用盾構(gòu)施工法時(shí)無法開展隧道洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查。

　　圖1隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法分類

　　2.2超前鉆探法

　　超前鉆探法是在隧道內(nèi)安放水平鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆進(jìn)，根據(jù)水平方向上鉆進(jìn)速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液的顏色、氣味、巖粉以及在鉆探過程中遇到的其他情況來推斷掌子面前方的地質(zhì)情況，鉆孔的數(shù)量、角度及鉆孔長度可人為設(shè)計(jì)和控制，可以通過直接采集巖芯進(jìn)行各種抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以獲取巖石的物理理學(xué)特征，也可以通過鉆孔及時(shí)釋放影響隧道施工的瓦斯和地下水等有害氣體和液體。這種方法是一種傳統(tǒng)而可靠的方法，能了解掌子面前方幾米，幾十米甚至上百米的范圍內(nèi)圍巖的工程地質(zhì)情況，基本上可以反映前方巖體的大概情況，比較直觀。但該方法也存在不足之處：①在復(fù)雜地質(zhì)條件下預(yù)報(bào)效果較差，很難預(yù)測到正洞掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理，特別是與隧道軸線平行的結(jié)構(gòu)面，其預(yù)報(bào)無反映;②鉆孔與鉆孔之間的地質(zhì)情況反映不出來;③探測速度慢，一次探測距離短，投入費(fèi)用高，影響隧道正常施工。

　　根據(jù)鉆探的深度可分為短距離、中距離、長距離地質(zhì)超前鉆探：①短距離，鉆探深度≤6m，主要選擇加深炮孔探測方法;②中距離，鉆探深度6～30m，主要選擇潛孔鉆機(jī)設(shè)備;②長距離，鉆探深度30～150m，主要選擇快速超前水平鉆機(jī)設(shè)備。

　　2.3地球物理勘探法論文

　　地球物理勘探法簡稱物探法，是間接、無損的測試手段，采用地球物理方法作為地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的手段，根據(jù)隧道施工掌子面前方地質(zhì)情況的探測結(jié)果或隧道地表地球物理探測結(jié)果進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。從原理上講，凡是能進(jìn)行隧道掌子面勘探的所有地球物理方法均能用來進(jìn)行隧道開挖前方的不良工程地質(zhì)預(yù)報(bào)，但是由于受到工作條件的限制或全空間探測解釋困難的因素制約，目前主要有電磁波反射法、彈性波反射法、紅外探測法、電阻率法。先介紹如下：

　　(1)地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)

　　地質(zhì)雷達(dá)法時(shí)一種常見的電磁波反射法，它利用無線電波檢測地下介質(zhì)分布和對不可見目標(biāo)或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部形態(tài)和位置的電磁技術(shù)，其理論基礎(chǔ)為高頻電磁波理論，利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式由地面通過發(fā)射天線送入地下，經(jīng)地下不連續(xù)體或目標(biāo)體反射后返回地面為接收天線所接收，反射電磁波經(jīng)過一系列的處理和分析之后可以得到探測介質(zhì)的有關(guān)信息(如圖2所示)。主要用于巖溶探測、斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻地質(zhì)體或者其它含水地質(zhì)體的探測。具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①使用范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，不受外界條件限制;②探測時(shí)間短，一次完成只需要30分鐘左右，加上探測前準(zhǔn)備工作，全部工作時(shí)間不超過1小時(shí)，對隧道施工干擾小，基本上不影響隧道掘進(jìn)施工;③提交資料及時(shí)，圖形直觀，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時(shí)就可以了解掌子面前方的地質(zhì)情況;④成本較低。其缺點(diǎn)是當(dāng)測線附近有管線、大型鋼構(gòu)、強(qiáng)電磁干擾設(shè)備等物體是誤差較大。

　　圖2地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

　　(2)彈性波反射法

　　彈性波反射法是利用人工激發(fā)的地震波或聲波在不同波阻抗地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波特性，預(yù)報(bào)隧道開挖工作面前方地質(zhì)情況的物探方法。常用的有地震波反射法(TSP/TRT/TGP)和聲波反射法(HSP)。

　　TSP是目前最常用的物探法，在實(shí)際使用中可通過放炮或者錘擊產(chǎn)生地震波。產(chǎn)生的地震波在隧道圍巖中傳播，當(dāng)遇到掌子面前方的不良地質(zhì)構(gòu)造,如地層層面、節(jié)理面，特別是斷層破碎帶界面、溶洞和暗河等時(shí)，地震波會(huì)發(fā)生反射，反射的地震波被檢波器接收。然后將所采集的數(shù)據(jù)利用軟件處理,可獲取P波和S波的波場分布規(guī)律。并遵循以下原則來推斷地質(zhì)體的性質(zhì)：①正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層;②若S波反射比P波強(qiáng),則表明巖層飽含水;③P波與S波波速比增加或泊松比突然增大，常是由于流體存在而引起的;④若P波波速下降,則表明裂隙或孔隙增加。

　　(3)紅外探測法

　　紅外線探測是通過紅外分析進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的方法，因?yàn)樵谒淼乐校瑖鷰r每時(shí)每刻都在向外輻射紅外波段的電磁波，并形成紅外輻射場，巖層在向外輻射紅外輻射的同時(shí)，必然會(huì)把它內(nèi)部的密度、能量、方向等信息傳遞出來。例如紅外探水就是通過接收巖體的紅外輻射強(qiáng)度，根據(jù)圍巖紅外輻射場強(qiáng)度的變化來確定隧道掌子面前方或周圍是否有隱伏的含水體。該方法的優(yōu)點(diǎn)：測量快速，基本不占用施工的時(shí)間資料分析快，測量完畢即可得到初步的結(jié)果。缺點(diǎn)是只能定性的結(jié)論，不能定量測量含水量的大小，水壓等重要的參數(shù)。

　　(4)電阻率法

　　電阻率法通過測量電阻率來進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的方法。常用的有瞬變電磁法和BEAM法。瞬變電磁法是一種時(shí)間域電磁法，它是利用階躍電磁脈沖激發(fā)，不接地回線向掌子面前方發(fā)射一次場，在一次場斷電之后，測量由介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場隨時(shí)間的變化，來達(dá)到尋找各種地質(zhì)目標(biāo)的超前預(yù)報(bào)方法，因而對地下水具有較好的敏感性，而對巖體強(qiáng)度、巖體破碎程度、干溶洞等不易判斷。BEAM法是由德國GEO-HYDRAULIKDATA公司開發(fā)的一種通過對巖層電阻率進(jìn)行測試(激發(fā)極化法)來探知巖石質(zhì)量、空洞和水體的物探方法，對巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育、破碎程度和溶洞有較好的敏感性。

　　2.4超前導(dǎo)坑法

　　超前導(dǎo)坑法可分為超前平行導(dǎo)坑和超前正洞導(dǎo)坑。平行導(dǎo)坑法是把小斷面導(dǎo)坑布置平行于正洞，和正洞之間有一定的距離;而正洞導(dǎo)坑法是把導(dǎo)坑布置在正洞中。它們的作用都是在導(dǎo)坑開挖過程中對遇到的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面或地下水等情況作地質(zhì)素描圖，通過地質(zhì)素描圖對正洞的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)，采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀、精度高、可以進(jìn)行長距離預(yù)報(bào);同時(shí)該方法可以增加工作面，加快施工進(jìn)度，還可以起到排水減壓放水，改善通風(fēng)條件的作用。但是采用超前導(dǎo)坑法進(jìn)行預(yù)報(bào)也有缺陷：①是成本太高，有時(shí)需要對全洞進(jìn)行平導(dǎo)開挖;②是在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)準(zhǔn)確度不高。

　　表1各種隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)方法工作應(yīng)用情況對比表

　　預(yù)報(bào)

　　方法 適用性 預(yù)報(bào)

　　距離 費(fèi)用 對隧道施工的影響 受場地條件的限制

　　地質(zhì)分析法 所有不良地質(zhì)預(yù)報(bào) 6m

　　左右 低 除開挖工作面地質(zhì)編錄外，幾乎不占用隧道施工時(shí)間。 盾構(gòu)施工無法開展隧道洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查。

　　物探法 彈性波反射法(炸藥震源) 主要對斷層、軟弱夾層(含煤層)、巖溶前界面等界面位置預(yù)報(bào)，可分析確定界面間介質(zhì)性質(zhì) 100～150m 較高 需在隧道邊墻上鉆鑿24個(gè)深1.5m的激振炮孔，2個(gè)深2m的接收鉆孔;炸藥爆破激發(fā)地震波，現(xiàn)場測試時(shí)間約2小時(shí)。 現(xiàn)場鉆鑿彈性波接收孔至隧道開挖工作面間需清場并停止洞內(nèi)爆破施工作業(yè)。

　　彈性波反射法(非炸藥震源) 主要對破碎帶，軟弱夾層，含水區(qū)域等界面位置預(yù)報(bào)，可顯示三維空間異常圖像。 100～150m 低 采用錘擊震源激發(fā)地震波，在隧道三維空間內(nèi)布置傳感器，現(xiàn)場工作時(shí)間約1小時(shí)。 現(xiàn)場開始采集彈性波數(shù)據(jù)時(shí)需停止其他震動(dòng)干擾源作業(yè)，不需清場。

　　地質(zhì)雷達(dá)法 主要對斷層、軟弱夾層(含煤層)、巖溶前界面等界面位置預(yù)報(bào)，可分析確定界面間介質(zhì)性質(zhì)。 ≤30m 適中 無需任何準(zhǔn)備，現(xiàn)場測試時(shí)間30分鐘。 測線附近不得有管線、大型鋼構(gòu)、強(qiáng)電磁干擾設(shè)備等物。

　　紅外

　　探測法 主要對含水圍巖巖體位置預(yù)報(bào)，對但水量大小無法確定 ≤30m 適中 需停止熱量干擾源的輻射作用，如關(guān)掉工作設(shè)備、照明設(shè)備等。現(xiàn)場測試時(shí)間20分鐘。 受隧道洞內(nèi)空氣溫度影響明顯，現(xiàn)場確保沒有其他熱量輻射源。

　　超前鉆探法 所有不良地質(zhì)預(yù)報(bào) 6～150m 高 占用隧道開挖工作面施工時(shí)間長。 隧道開挖工作面較小，鉆探范圍有限。

　　超前導(dǎo)坑法 所有不良地質(zhì)的預(yù)報(bào) 視導(dǎo)坑長度而定 最高 超前導(dǎo)洞有臨時(shí)支護(hù)的，擴(kuò)挖時(shí)需去掉臨時(shí)支護(hù);超前平行導(dǎo)洞先行施工隧道，對隧道和后施工隧道無影響。 無

　　3隧道施工超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)

　　隧道施工超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)就是根據(jù)隧道工程特點(diǎn)，以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，多種探測手段相結(jié)合，綜合分析、預(yù)報(bào)隧道開挖工作面前方可能遇到的不良地質(zhì)體及由此可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的性質(zhì)、分布位置、規(guī)模，并提出相應(yīng)措施建議的綜合地質(zhì)方法技術(shù)。

　　3.1綜合預(yù)報(bào)原則

　　隧道施工超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)應(yīng)以“地質(zhì)分析為核心，運(yùn)用物探與鉆探相結(jié)合、長距離與短距離相結(jié)合、地面與地下相結(jié)合、物性參數(shù)互補(bǔ)”為原則。

　　(1)“以地質(zhì)分析為核心”是指以地面和掌子面地質(zhì)調(diào)查為主要手段，并將地質(zhì)分析作為超前預(yù)報(bào)的核心，貫穿于整個(gè)預(yù)報(bào)工作的始終。

　　(2)“運(yùn)用物探與鉆探相結(jié)合”是指在開展TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測法、瞬變電磁法等綜合物探工作的同時(shí)，必須將物探解譯與鉆探緊密結(jié)合。

　　(3)“地面與地下相結(jié)合”是指洞內(nèi)、洞外預(yù)報(bào)相結(jié)合，并以洞內(nèi)預(yù)報(bào)為主，如地面地質(zhì)調(diào)查是洞外預(yù)報(bào)，掌子面素描、超前鉆探和各種物探方法是洞內(nèi)預(yù)報(bào)。

　　(4)“長距離與短距離相結(jié)合”是指在長距離預(yù)報(bào)的指導(dǎo)下，進(jìn)行短距離精確預(yù)報(bào)，如地面地質(zhì)調(diào)查和TSP是長距離預(yù)報(bào)，掌子面素描、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探等是短距離預(yù)報(bào)。

　　(5)“物性參數(shù)互補(bǔ)”是指選取的物探預(yù)報(bào)方法其預(yù)報(bào)物性參數(shù)應(yīng)相互補(bǔ)充配合。TSP、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁法、BEAM、紅外探測法等物探方法不一定同時(shí)同等使用，應(yīng)在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，考慮“長短預(yù)測結(jié)合”等綜合預(yù)報(bào)原則和物探方法適宜性，選取適宜的一種或幾種物探方法進(jìn)行預(yù)報(bào)。如對于探測斷層，宜選用TSP+GPR或TSP+BEAM組合;對于探測富水情況，宜選用TSP+紅外探測或TSP+瞬變電磁法組合。

　　3.2綜合預(yù)報(bào)流程圖

　　隧道施工超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)的工作流程如圖3所示。

　　圖3隧道施工超前綜合預(yù)報(bào)工作流程圖

　　4結(jié)論

　　(1)總結(jié)了隧道施工中常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，如體質(zhì)分析法、超前鉆探法、物探法和超前導(dǎo)坑法，分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其對各種不良地質(zhì)情況的響應(yīng)和適宜性，為選擇適宜的預(yù)報(bào)方法提供依據(jù)。

　　(2)隧道施工超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)應(yīng)以“地質(zhì)分析為核心，運(yùn)用物探與鉆探相結(jié)合、長距離與短距離相結(jié)合、地面與地下相結(jié)合、物性參數(shù)互補(bǔ)”為原則。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]何發(fā)亮，李蒼松等.隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2006.

　　[2]葉英.巖溶隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法研究[博士學(xué)位論文][D].北京：北京交通大學(xué)，2006.

　　[3]李天斌，孟陸波等.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(12)：2429～2436.

　　[4]中華人民共和國鐵道部.鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南[行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)].鐵建設(shè)(2008)105.