超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工中的應(yīng)用探討

王文清

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司隧道分公司 四川 雙流 610200）

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工中的應(yīng)用探討

王文清

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司隧道分公司 四川 雙流 610200）

隧道所處地段地質(zhì)條件復(fù)雜多變，勘察設(shè)計(jì)人員很難對(duì)隧道的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確勘察。在進(jìn)行隧道開挖過程中經(jīng)常會(huì)遇到斷層破碎帶、富水帶和巖溶等不良地質(zhì)體，這些不良地質(zhì)體的出現(xiàn)大大增加了隧道開挖難度。因此，對(duì)隧道地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，是避免掘進(jìn)過程中出現(xiàn)突水、突泥等災(zāi)害，減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的有力手段。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào) 隧道 施工 應(yīng)用

引言

隧道穿越區(qū)域中，如遇隱伏巖溶、斷層等較大不良地質(zhì)區(qū)段，會(huì)導(dǎo)致施工過程中突水、突泥、坍塌、區(qū)域沉陷、有害氣體突出等地質(zhì)災(zāi)害或不良的環(huán)境影響，并給隧道結(jié)構(gòu)安全與今后的運(yùn)營(yíng)留下隱患。為規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)，科學(xué)組織武廣客運(yùn)專線隧道施工，需要采取多種手段，分級(jí)管理，開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)隧道地質(zhì)情況，制定可靠的處理方案和技術(shù)措施，及時(shí)采取預(yù)防手段與應(yīng)急預(yù)案，確保隧道安全順利地通過隧道不良地質(zhì)區(qū)段。

1. 道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的內(nèi)容

隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)在道路施工建設(shè)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，一方面能提高隧道施工的安全性，另一方面還能提高施工質(zhì)量，是現(xiàn)代社會(huì)道路施工發(fā)展建設(shè)的主要手段之一。隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)要求工作人員通過地質(zhì)推斷法將巖石周圍的地質(zhì)變化趨勢(shì)展現(xiàn)出來，并利用物探方法預(yù)報(bào)前方圍巖的實(shí)際狀況，預(yù)報(bào)工作人員結(jié)合自身專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)分析原理了解前方的地質(zhì)狀況和圍巖的等級(jí)類別，并判斷可能出現(xiàn)事故的圍巖類型和場(chǎng)所，最后，針對(duì)問題提出具有科學(xué)性的解決措施。不良地質(zhì)體涉及范圍非常廣，主要包括破碎帶、溶洞、節(jié)理密集帶以及富水帶等，以上各位置的性質(zhì)、特點(diǎn)是超前預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)和主要依據(jù)，并對(duì)超前預(yù)報(bào)的結(jié)果有至關(guān)重要的影響。另外，地質(zhì)原理分析和推斷還存在著典型的成災(zāi)型，這是地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)還會(huì)直接成為提出施工建議的主要依據(jù)。因此，地質(zhì)條件預(yù)報(bào)、災(zāi)害類型及可能性預(yù)報(bào)以及圍巖級(jí)別預(yù)報(bào)和施工建議之間存在緊密聯(lián)系，其中，地質(zhì)條件預(yù)報(bào)直接決定災(zāi)害類型和人圍巖級(jí)別預(yù)報(bào)，在確定以上各參數(shù)后結(jié)合隧道施工實(shí)際狀況制定科學(xué)合理的施工方案。

2. 道施工中不良地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法分析

2.1 常規(guī)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)法

2.1.1 地質(zhì)素描法

在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，人們最早使用的方法便是地質(zhì)素描法。地質(zhì)素描法是利用地質(zhì)理論和作圖法，準(zhǔn)確地將隧道掌子面及其周邊所揭露的地層構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地下水出水情況等一一記錄并繪制成圖表，然后，與設(shè)計(jì)地質(zhì)資料對(duì)比，來預(yù)測(cè)隧道開挖面前方地質(zhì)條件。在隧道開挖過程中，每一開挖循環(huán)均要求作地質(zhì)素描圖來推斷前方地質(zhì)。地質(zhì)素描圖主要內(nèi)容，包括斷層、破碎帶的位置、產(chǎn)狀、規(guī)模，地下水出水點(diǎn)情況等。

2.1.2 超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法

超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法有平行導(dǎo)坑和正洞導(dǎo)坑法兩種，其中，平行導(dǎo)坑法斷面小，在實(shí)施過程中要做必要的測(cè)試試驗(yàn)，并同時(shí)做好相關(guān)記錄，對(duì)隧道穿越地層分布結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行平面的展示，做出地質(zhì)素描圖，可以指導(dǎo)較小間距的平行隧道，對(duì)隧道施工進(jìn)行預(yù)報(bào)。正洞導(dǎo)坑法的精度優(yōu)于平行導(dǎo)坑法，它是先確定隧道的中心軸線，沿隧道的正洞開挖出小導(dǎo)坑，進(jìn)行初步探測(cè)，再將小導(dǎo)坑進(jìn)行擴(kuò)大為斷面，實(shí)現(xiàn)超前預(yù)報(bào)功能。我國(guó)的北京八達(dá)嶺隧道施工就運(yùn)用了這一方法。

2.1.3 超前水平鉆孔預(yù)報(bào)法

這一預(yù)報(bào)方法是將鉆機(jī)設(shè)備移入隧道之內(nèi)，按照水平方向鉆進(jìn)，根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)的速度測(cè)試、巖芯采取率、強(qiáng)度鑒定等數(shù)據(jù)，來推斷隧道掌子面前方的巖層節(jié)理構(gòu)造、巖體的地形構(gòu)造等大概情況，隧道施工人員可以對(duì)這些檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如：對(duì)巖芯采取率的鑒定，如果巖芯采取率低，則表明有裂隙在形成和發(fā)育；如果巖芯采取率高，則表示巖體沒有裂縫，完整性良好，完成地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。但是，這種超前水平鉆孔預(yù)報(bào)方法也有其局限性，即往往出現(xiàn)隧道施工中，由于這種方法的“一孔之見”而導(dǎo)致不良地質(zhì)體的漏報(bào)，使之無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)復(fù)雜的地質(zhì)地形條件，對(duì)隧道掌子面前方的小斷層及與軸線平行的斷面也無法進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，還有待于更多的探索和實(shí)踐應(yīng)用。

2.2 地球物理超前預(yù)報(bào)方法

2.2.1 TSP預(yù)報(bào)法

TSP（Tunnel Seismic Prediction）是隧道地震波法的簡(jiǎn)稱。TSP設(shè)備由瑞士安伯格研發(fā)生產(chǎn)，采用回聲測(cè)量原理，在我國(guó)應(yīng)用較廣泛。TSP法的地震波信號(hào)通常由小量炸藥爆炸產(chǎn)生，其傳播到不同的巖層界面時(shí)被反射，產(chǎn)生的反射波被三維高靈敏度的地震檢波器接收，利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)反射波進(jìn)行解析，可推斷掌子面前方地質(zhì)情況。在確定相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性后，預(yù)報(bào)人員通過反射波數(shù)據(jù)庫的基本情況進(jìn)行深入研究分析，就可以準(zhǔn)確判斷相關(guān)隧道剖面及巖石的物理性質(zhì)和基本力學(xué)參數(shù)，隧道施工建設(shè)以此為依據(jù)便能在保障安全性和可靠性的同時(shí)在更短的時(shí)間內(nèi)完成。

2.2.2 紅外探水預(yù)報(bào)法

通常情況下，在應(yīng)用紅外探水原理之前，工作人員必須確定一個(gè)比較穩(wěn)定的地質(zhì)體，并將該地質(zhì)體作為探測(cè)對(duì)象所必須的場(chǎng)源，由于探測(cè)對(duì)象所形成的紅外場(chǎng)強(qiáng)度和場(chǎng)源本身的場(chǎng)強(qiáng)度幾乎保持一致，如果地質(zhì)體中含有一定地下水，此時(shí)，地下水場(chǎng)源產(chǎn)生的紅外場(chǎng)將直接影響地質(zhì)體場(chǎng)源多產(chǎn)生的紅外場(chǎng)。以圍巖紅外場(chǎng)的變化來預(yù)報(bào)前方是否含有水體，并以隧道的走向?yàn)橐罁?jù)，判斷紅外探水與場(chǎng)源強(qiáng)曲線之間的關(guān)系。最后，在利用紅外探水原理進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的過程中還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際探測(cè)狀況建立各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與測(cè)點(diǎn)到掘進(jìn)面的距離之間的函數(shù)關(guān)系，并繪制函數(shù)關(guān)系示意圖，再結(jié)合函數(shù)圖形的基本特點(diǎn)完成超前探水預(yù)報(bào)要求。

2.2.3 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)法

地質(zhì)雷達(dá)法簡(jiǎn)稱GPR（Ground Pene－trating Radar），其利用發(fā)射天線向隧道掌子面前方地層發(fā)射脈沖形式的高頻電磁波，經(jīng)地層界面反射回掌子面的回波信號(hào)由另一天線接收，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析，可短距離預(yù)報(bào)掌子面前方地質(zhì)。地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)含水帶、破碎帶等不良地質(zhì)擁有較高的識(shí)別能力，在富水地層以及溶洞發(fā)育地區(qū)和深埋隧道，效果好，應(yīng)用較廣泛，具有操作速度快、對(duì)施工干擾小、探測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)。

3. 道施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的選擇

上面介紹的預(yù)測(cè)方法，各自有不同的運(yùn)用情況，應(yīng)該選取合適的方法加以應(yīng)用。首先在預(yù)報(bào)方法選取上要遵循一定的原則，比如要保證施工時(shí)所用時(shí)間不能過長(zhǎng)，對(duì)施工產(chǎn)生的影響應(yīng)該盡量小，預(yù)報(bào)誤差應(yīng)該小于 5%，可以完整掌握地質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水狀況、破碎程度、完整性等。遵循這些原則，選擇合適的預(yù)報(bào)方法。另外預(yù)報(bào)方法的選取還應(yīng)當(dāng)充分考慮地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與預(yù)報(bào)方法的選取直接相關(guān)，要在判斷國(guó)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之后再來選取預(yù)報(bào)方法。

根據(jù)公路隧道地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，把地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分成了四個(gè)等級(jí)，分別是A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)，四個(gè)等級(jí)代表的分別是特大型地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、大型地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、中～小型地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、局部小型地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，除了這四個(gè)基本等級(jí)之外還可以根據(jù)工程地質(zhì)狀況在各個(gè)等級(jí)下面劃分出亞級(jí)，通過這種方式來反映那些介于其中兩個(gè)等級(jí)之間的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)確定了地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之后，可以參照《不同地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)報(bào)方法選取標(biāo)準(zhǔn)》來確定預(yù)報(bào)方法。

結(jié)束語

總之，綜合物探方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)過程中具有較高的應(yīng)用價(jià)值，工作人員必須結(jié)合施工現(xiàn)狀，從多方面著手，為提高施工質(zhì)量做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。眾所周知，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作在隧道施工建設(shè)過程中具有重要的作用，它一方面能引導(dǎo)施工人員準(zhǔn)確掌控施工所在地的地質(zhì)情況，另一方面還能為施工人員的人身安全提供安全保障。

[1]戴前偉，王鵬飛，馮德山，張富強(qiáng).綜合物探方法在隧道掌子面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].工程勘察，2012，02(08).

[2]呂喬森，左昌群，梁禹.公路隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)方法選取與預(yù)警機(jī)制建立[J].中外公路，2012，32(5).

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1007-6344（2015）12-0184-01