超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

商 琦

(中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司，陜西西安 710032)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建的隧道越來越多、越來越長(zhǎng)，遇到的隧道工程地質(zhì)問題越來越復(fù)雜。由于在隧道的勘察設(shè)計(jì)階段對(duì)隧道的地質(zhì)勘察的力度有限，受勘察精度、工作經(jīng)費(fèi)等條件的影響，地質(zhì)勘察對(duì)隧道的地質(zhì)情況只有一個(gè)宏觀的把握，對(duì)隧道復(fù)雜的地質(zhì)情況的認(rèn)識(shí)還不夠深入。依據(jù)地質(zhì)勘察資料做出的設(shè)計(jì)方案與實(shí)際情況經(jīng)常不符，在隧道施工中復(fù)雜的地質(zhì)情況以及地質(zhì)變化都直接影響施工方法和施工工期。對(duì)于地質(zhì)情況復(fù)雜的隧道，施工時(shí)也會(huì)引起地質(zhì)的變化;施工前能了解隧道前方的地質(zhì)情況，有利于隧道的施工，確保施工安全。因此，有必要在隧道施工前對(duì)隧道所通過區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的重要作用

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作在隧道工程施工中主要有以下幾方面的作用:1)在復(fù)雜地質(zhì)條件下，能夠保證隧道施工安全，避免施工時(shí)隧道洞內(nèi)塌方、涌水、涌沙、涌泥、瓦斯爆炸、巖爆等災(zāi)害的發(fā)生，確保施工人員的安全;2)能減少或避免因地質(zhì)災(zāi)害引起的工期延誤，增加施工成本;3)節(jié)約施工成本。在施工過程中，準(zhǔn)確的隧道地質(zhì)情況預(yù)報(bào)能夠減少很多不必要的安全防護(hù)措施，節(jié)約施工成本;4)根據(jù)準(zhǔn)確的隧道地質(zhì)情況預(yù)報(bào)，能夠根據(jù)地質(zhì)情況提前對(duì)施工方法進(jìn)行調(diào)整，對(duì)一些復(fù)雜的地質(zhì)情況能夠提前采取相應(yīng)的技術(shù)措施;5)是完善設(shè)計(jì)地質(zhì)資料、優(yōu)化施工方案、指導(dǎo)施工決策和保證施工人員及設(shè)備安全的需要;6)能夠?yàn)樗淼赖脑O(shè)計(jì)及變更提供依據(jù);7)在隧道建成使用階段，可作為其地質(zhì)災(zāi)害治理的依據(jù)。

2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的原理:在隧道掌子面后方一定距離內(nèi)布置探測(cè)鉆孔，在探測(cè)鉆孔放置適量的炸藥，通過引爆炸藥來發(fā)射信號(hào)，這些信號(hào)能夠在巖體中以球面的形式向四周傳播，其中一部分向隧道前方傳播，經(jīng)隧道前方的界面反射回來，反射信號(hào)經(jīng)接受傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大。從起爆到發(fā)射信號(hào)被接收的這段時(shí)間是與反射面的距離成比例的。通過反射時(shí)間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進(jìn)面的距離確定下來，同時(shí)還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便的探測(cè)出來。

采用TSPwin軟件對(duì)由TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠得到P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數(shù)等成果。

在成果解釋中，以P波資料為主對(duì)巖層進(jìn)行劃分，結(jié)合橫波資料對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某隧道洞身依次通過三疊系須家河組砂巖夾頁巖、煤線，侏羅系珍珠沖組、自流井組、新田溝組、下沙溪廟組泥巖夾砂巖，穿越銅鑼?shí){背斜。隧道區(qū)主體構(gòu)造為銅鑼?shí){背斜，在它的東面為明月峽背斜，其間為大盛場(chǎng)向斜;在它的西面為龍王洞背斜，其間為沙坪向斜。這些背、向斜均呈北東～南西向延伸、向斜寬緩，背斜緊湊，構(gòu)成背斜與向斜相間排列的構(gòu)造格局。

3.2 施工布置

出口端:在隧道DK18+359的右邊墻位置布置一個(gè)地震波信息接收孔，孔徑為50mm。在DK18+346～DK18+312段的右邊墻位置，按約1.5m的間距布置24個(gè)激發(fā)孔分別激發(fā)地震波，激發(fā)孔孔深1.5m左右，孔徑約40mm，孔向下傾斜約10°，每個(gè)激發(fā)孔裝填的藥量為65g～100 g，激發(fā)孔和接收孔基本保持在同一個(gè)高度上。

3.3 鉆探結(jié)論

本次預(yù)報(bào)時(shí)掌子面里程為DK18+294，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)和TSP法，本次預(yù)報(bào)的里程范圍為DK18+297～DK18+210段。

1)DK18+297～DK18+294段:地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)后發(fā)現(xiàn)，隧道中線左側(cè)拱頂圍巖松散，裂隙節(jié)理十分發(fā)育，富水，存在約2m～4m空腔(沿隧道中線左側(cè)DK18+294～DK18+297，距拱頂約2m處，存在寬約2m，高約4m空腔)。2)DK18+294～DK18+250段:長(zhǎng)度約44m，探測(cè)后發(fā)現(xiàn)，本段圍巖破碎，強(qiáng)度降低。裂隙節(jié)理十分發(fā)育，部分區(qū)段存在密集反射區(qū)，有一定張開度，富水;其中自隧道斷面至DK18+270段，特別是DK18+290～DK18+280附近，圍巖裂隙節(jié)理十分發(fā)育，強(qiáng)度下降，存在軟弱巖層，傾角65°，與隧道軸線夾角50°。約DK18+268～DK18+250段巖層強(qiáng)度降低，注意DK18+274，DK18+268和DK18+253附近區(qū)域裂隙密集發(fā)育，巖體破碎。依TSP法探測(cè)結(jié)果初判隧道拱部上方形成坍塌空腔(沿隧道軸線約DK18+294～DK18+290段，縱向高度約6m～7m)。鑒于本段隧道圍巖完整性非常差，巖體破碎呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，開挖后成洞穩(wěn)定性差，易發(fā)生掉塊、坍塌，影響隧道施工安全，施工時(shí)務(wù)必加強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)做好防排水。3)DK18+250～DK18+210段:長(zhǎng)度約40m，本段圍巖部分區(qū)段強(qiáng)度仍較低，完整性較前段增強(qiáng)，但局部伴生的中、小型節(jié)理仍較發(fā)育。約DK18+250～DK18+230段節(jié)理較發(fā)育，注意約DK18+249，DK18+240以及DK18+234附近較破碎。DK18+226～DK18+210段圍巖強(qiáng)度增大，但DK18+220， DK18 + 216 以 及 DK18 + 211附近節(jié)理有發(fā)育，圍巖稍破碎。本段隧道圍巖整體性及強(qiáng)度較前段增強(qiáng)，但局部節(jié)理仍較發(fā)育，圍巖稍破碎，易發(fā)生掉塊，提請(qǐng)施工至上述問題區(qū)域時(shí)，注意加大支護(hù)力度。

4 TSP施工

4.1 施工要點(diǎn)

1)在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)詳細(xì)掌握作業(yè)區(qū)的地質(zhì)情況資料以及超前鉆探的相關(guān)資料規(guī)程后方能進(jìn)入作業(yè)區(qū)，確定本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)情況以及目的;2)進(jìn)入作業(yè)區(qū)，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)將要觀測(cè)的地質(zhì)情況進(jìn)行仔細(xì)的研究，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)TSP超前預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的位置進(jìn)行確定;3)按照探測(cè)鉆孔布置方案進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)鉆孔的布置。布置如下:本次測(cè)試中總共在隧道側(cè)壁上布置了爆破探測(cè)孔24個(gè)，爆破測(cè)試孔深度為1.5m且垂直于隧道壁，爆破測(cè)試孔直徑為40mm～42mm，向下傾斜10°;4)布置接收器鉆孔(2個(gè)):在與爆破探測(cè)孔同側(cè)隧道壁，同高的延長(zhǎng)線上，距離最外一個(gè)爆破探測(cè)孔(第24號(hào)孔)15m～20m處，布置1個(gè)接收器鉆孔(第25號(hào)孔)，同時(shí)在25號(hào)孔的對(duì)側(cè)隧道壁再布置1個(gè)接收器鉆孔(第26號(hào)孔)，接收器鉆孔垂直于隧道壁，深2.0m(切勿超過2m)，向下傾斜10°，用直徑50mm鉆制;5)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)試炸藥與雷管的選擇。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要點(diǎn)

1)在對(duì)TSP超前預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行布置和操作時(shí)必須按照使用說明書進(jìn)行，同時(shí)還要進(jìn)行調(diào)試，確保系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行;2)TSP超前預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，隧道內(nèi)必須停止施工，確保周圍環(huán)境的安靜，以免影響探測(cè)結(jié)果;3)在1號(hào)爆破測(cè)試孔中裝好炸藥和電雷管，同時(shí)應(yīng)注水將其密封，所有人員應(yīng)撤離至安全區(qū);4)引爆炸藥，TSP超前預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)將收集相關(guān)數(shù)據(jù);5)所有的測(cè)試孔重復(fù)上面兩步，若引爆不成功，應(yīng)重新測(cè)試;6)待測(cè)試全部完成后，整理好設(shè)備，才能恢復(fù)施工。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要點(diǎn)

1)TSP法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)間約1h，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)間約0.5h，紅外探測(cè)法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)間約0.5h;2)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，為確保檢測(cè)工作的進(jìn)度及質(zhì)量，各工區(qū)應(yīng)安排2名～3名工作人員配合檢測(cè)工作;3)檢測(cè)作業(yè)過程中，現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)應(yīng)暫時(shí)停止，鉆機(jī)、沖擊鉆等設(shè)備停止工作，并撤離工作面，確保檢測(cè)工作不受干擾，保障檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及完整性。

5 結(jié)語

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是信息化施工的要求，信息化施工要求施工過程中獲得施工影響信息，根據(jù)獲得的信息調(diào)整施工與設(shè)計(jì)，保證工程與施工安全。

[1]周 勇.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(地質(zhì)雷達(dá))在城市隧道施工中的應(yīng)用[J].工程勘察，2009，(S2):511-514.

[2]曹延海.地質(zhì)雷達(dá)在西山隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2011，37(24):161-162.

[3]韓曉雷，葉逢春.地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中方法探討[J].西部探礦工程，2009(6):152-157.