試論隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

孫鳳成

（中國鐵建十一局第三工程有限公司　湖北　黃石　435001）

試論隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

孫鳳成

（中國鐵建十一局第三工程有限公司湖北黃石435001）

本文就隧道工程施工超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，探討常用隧道預(yù)報(bào)分析方法基本原理，進(jìn)而更好的開展隧道施工，同時(shí)保證隧道施工的安全與質(zhì)量，更好的為交通行業(yè)做貢獻(xiàn)。

隧道施工；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；發(fā)展趨勢(shì)

1　前言

自從我國進(jìn)行改革開放以來，國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，政府在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面也加大了力度。就目前而言，政府在公路上的投資量巨大，為降低植被破壞、縮短里程與改善路線，就需要開挖山體或是進(jìn)行隧道的修建。同時(shí)為預(yù)防因此導(dǎo)致的一些地質(zhì)損壞，使得隧道施工的進(jìn)度達(dá)到施工要求，就需要使用優(yōu)良勘察技術(shù)與現(xiàn)行探測(cè)手段，以便及時(shí)實(shí)施超前預(yù)報(bào)和探測(cè)。

2　隧道工程施工超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)具體研究的現(xiàn)狀分析

就目前的隧道工程看來，工程施工中的一個(gè)不可替代的組成部分就是地質(zhì)預(yù)報(bào)，也就是隧道施工過程中科學(xué)合理應(yīng)用不同的施工手段、技術(shù)與方式，有效預(yù)判以及準(zhǔn)確、及時(shí)分析隧道施工的掌子面方圍巖實(shí)際狀況，進(jìn)而使得施工人員有一個(gè)全面了解，及時(shí)采取有效策略來應(yīng)對(duì)，以免發(fā)生各種地質(zhì)的災(zāi)害，進(jìn)而降低災(zāi)害的損失，同時(shí)使得施工的安全性得以提高。因?yàn)樗淼拦こ虒?shí)際地質(zhì)的條件比較復(fù)雜，因此施工超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)達(dá)到工程效果也存在差異，這就需要使用各種不同技術(shù)手段與預(yù)報(bào)方法。其中較為常用的預(yù)報(bào)方式包含以下三種：

2.1關(guān)于超前地質(zhì)的鉆探與導(dǎo)坑法

這種方式事實(shí)上就是直接探測(cè)方法，該方式可以直接呈現(xiàn)施工中掌子面的前方地質(zhì)實(shí)際情況，并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面的前方地質(zhì)情況。且在準(zhǔn)確度上優(yōu)勢(shì)比較明顯，具體分為下面兩種方式：

2.1.1超前的導(dǎo)坑法

也就是借助超前的導(dǎo)坑來揭示隧道地質(zhì)實(shí)際情況，更好的指導(dǎo)隧道的支護(hù)和開挖。

2.1.2關(guān)于超前水平的鉆孔法

通?？梢栽谑┕ひ粋?cè)耳室或者是掌子面實(shí)施超前水平的鉆孔，再通過巖芯強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)與鉆進(jìn)速度的測(cè)試等方式來探究掌子面的前方巖層完整性、軟硬程度、巖體性質(zhì)與含水情況。

2.2物探法

這個(gè)方式主要是從巖土體間不同物理性質(zhì)進(jìn)行分析，同時(shí)借助不同探測(cè)方式與儀器，探測(cè)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)地球的物理變化，更好的對(duì)水文地質(zhì)狀況進(jìn)行判斷，也就是間接測(cè)試的方法。因?yàn)槲锾椒ㄔ谡谱用娴氖┕し矫婊緵]有影響，在地址破壞方面的程度較輕。因此，該方式近幾年發(fā)展速度較快，其中具體物探法分為以下幾種：

2.2.1聲波的反射法

這個(gè)方式在彈性波的探測(cè)范圍內(nèi)，主要就是使用聲波傳播的特征，同時(shí)與隧道地質(zhì)勘測(cè)的資料充分結(jié)合，對(duì)巖土體的工程地質(zhì)特性進(jìn)行判斷。該方式探測(cè)距離一般在70～90m之間，主要優(yōu)點(diǎn)就是掌子面占用施工時(shí)間不多、費(fèi)用較低與預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，以及方法自身較為簡單與可操作性比較強(qiáng)。

2.2.2關(guān)于TSP法

該方式是目前我國隧道施工地址預(yù)報(bào)過程中比較先進(jìn)的方式，其基本原理就是借助通過人工激發(fā)的地震波，來對(duì)反射波進(jìn)行接收，根據(jù)不同介質(zhì)中波傳播特異差異，再通過分析反射波的信號(hào)，對(duì)掌子面的前方不良的地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)測(cè)，例如：溶洞、軟弱面與富水帶，從而獲得不良地質(zhì)規(guī)模、可靠位置與形狀。該方法的顯著優(yōu)點(diǎn)就是施工過程掌子面占用空間不大、長距離探測(cè)與具有較強(qiáng)抗干擾的能力等。

2.2.3紅外的探水法。

這種技術(shù)主要用在隧道的掌子面中前方的含水體探測(cè)，基本原理是，因?yàn)樗w內(nèi)部與地質(zhì)體中不同運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，通常在紅外的輻射波作用下，會(huì)出現(xiàn)不同的強(qiáng)度輻射場(chǎng)，再借助相關(guān)探測(cè)儀測(cè)量掌子面的前面范圍內(nèi)圍巖體的紅外場(chǎng)實(shí)際強(qiáng)度，這樣就可以對(duì)掌子面的前方含水體進(jìn)行判斷。

2.3地質(zhì)法

就目前而言，我國隧道施工中超前地質(zhì)的預(yù)報(bào)過程比較常用的方式就是地質(zhì)法，主要就是根據(jù)掌子面、地表與隧洞調(diào)查實(shí)際結(jié)果來實(shí)施超前的預(yù)報(bào)。也就是按照地表中外露巖石體實(shí)際風(fēng)化情況、結(jié)構(gòu)面具體形狀與發(fā)育破碎的機(jī)理，同時(shí)借助地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)圖相關(guān)性的分析，推斷隧道中巖石體的結(jié)構(gòu)面穿越深度出露的位置，更好的推測(cè)隧道中掌子面的前方出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的情況。而地質(zhì)法主要包含以下兩方面的內(nèi)容：

2.3.1地質(zhì)的素描

實(shí)施隧道開挖后，需要迅速調(diào)查掌子面地質(zhì)的情況，同時(shí)按照這些情況作出詳細(xì)地質(zhì)跟蹤的記錄，并繪制掌子面剖面圖，從而獲取前方不良的地質(zhì)體實(shí)際信息。

2.3.2地表與地質(zhì)的調(diào)查

也就是通過展開大范圍以及細(xì)致的隧道地質(zhì)調(diào)查的工作，并復(fù)核地勘的資料，還有掌握水文、地質(zhì)實(shí)際情況，給隧道施工中超前地質(zhì)的預(yù)報(bào)提供可靠依據(jù)。

3　普遍應(yīng)用的隧道施工預(yù)報(bào)方法基本的原理

3.1關(guān)于紅外探水的超前地質(zhì)情況預(yù)報(bào)方式

地球中地?zé)釄?chǎng)在地球表面巖體溫度調(diào)節(jié)中有著主導(dǎo)作用，在相關(guān)深度的范圍之內(nèi)，只要深度增加1000m，地?zé)釄?chǎng)溫度就會(huì)增加30℃，但是在垂直水平的方向，相關(guān)地?zé)釄?chǎng)溫度變化比較小，也就可以看出在規(guī)定深度之下，隧道巖體的開挖，可以把其看成在溫度恒定的場(chǎng)中，其溫度幾乎不會(huì)發(fā)生變化。因此，當(dāng)即將進(jìn)行掌子面開挖時(shí)，后方則會(huì)存在水體巖層，例如：裂隙水與溶洞等，而且該開挖巖體和含水巖層如果存在一定溫差時(shí)，相關(guān)巖體就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)對(duì)流與熱傳導(dǎo)作用，溫度場(chǎng)也就不再是恒溫場(chǎng)，因此就會(huì)出現(xiàn)一定溫度的易熱場(chǎng)，因?yàn)榇嬖谶@種異常情況，掌子面也就會(huì)存在溫度差異，也就需要利用紅外的輻射測(cè)溫方式來測(cè)定這類溫度變化的差異，也就可以準(zhǔn)確的對(duì)掌子面中前方含水層實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。

3.2其余幾種隧道施工超前預(yù)報(bào)的方法

關(guān)于超前預(yù)報(bào)的方式還包含聲波中CT的技術(shù)與HSP的水平聲波的刨面法等，只是在實(shí)際施工過程中，這類方式運(yùn)用比較少。其中HSP的水平聲波超前地質(zhì)的預(yù)報(bào)方式，主要是因?yàn)椴▊鞑ミ^程按照費(fèi)馬與惠更斯菲涅爾的原理，因此這個(gè)方式主要原理是構(gòu)建于彈性波的理論基礎(chǔ)上。但是關(guān)于HSP的水平聲波中剖面超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)法具有自身的局限性，在探測(cè)過程中前提條件就是周邊地質(zhì)、巖溶洞穴與填充物等存在聲學(xué)特性的差異。

在預(yù)報(bào)過程中隧道掌子面以及邊墻外會(huì)發(fā)射較低頻聲波的信號(hào)，并在隧道內(nèi)部各個(gè)接點(diǎn)對(duì)反射波信號(hào)進(jìn)行接收，再通過所探測(cè)反射波的信號(hào)實(shí)施頻域與時(shí)域等方式分析，這樣就能充分認(rèn)識(shí)掌子面的前方巖體變化實(shí)際情況。而關(guān)于聲波CT的超前地質(zhì)實(shí)際預(yù)報(bào)方式，也就是聲波CT中超前地質(zhì)的預(yù)報(bào)方法基本原理和醫(yī)學(xué)中CT檢查技術(shù)原理基本一樣，預(yù)報(bào)過程存在相應(yīng)物理的前景，也就是物理性質(zhì)差異介質(zhì)，使得內(nèi)部聲波傳播速度也存在差異，通過該預(yù)報(bào)的方式，能夠通過不同介質(zhì)之中聲波傳播速度來計(jì)算并分析物體內(nèi)部物性的差異性，然后分析所收集的具體地質(zhì)資料，進(jìn)而滿足通過三維圖像直觀顯示掌子面的前方巖體內(nèi)部地質(zhì)體。

3.3關(guān)于TSP的隧道中地震波超前地質(zhì)的預(yù)報(bào)方法

關(guān)于TSP的隧道中地震波超前地質(zhì)的預(yù)報(bào)方法，是國內(nèi)20世紀(jì)90年代從瑞士的按伯格測(cè)量技術(shù)企業(yè)引進(jìn)了先進(jìn)地質(zhì)超前的預(yù)報(bào)探測(cè)分析方式，是我國當(dāng)下普遍應(yīng)用的技術(shù)。而TSP與其他反射的地震波方式基本一樣，均是通過回聲測(cè)量的原理來進(jìn)行探測(cè)，其中地震波在具體震源點(diǎn)用少量炸藥來激發(fā)形成，而巖層中出現(xiàn)的地震波通過面波形式向前的傳播，一旦地震波與巖石物性的界面相遇時(shí)，部分地震的信號(hào)就會(huì)被反射回來，部分的地震信號(hào)則可以投射到前方的介質(zhì)中，反射地震信號(hào)會(huì)被高敏度三維地震的檢波器來接收。

4　結(jié)語

總而言之隧道工程的施工過程中，超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)有著重要作用，而且預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確性直接關(guān)系著施工的順利實(shí)施。因此，需要現(xiàn)有研究的成果總結(jié)基礎(chǔ)上，尋找整個(gè)過程中存在的不足與缺陷，同時(shí)對(duì)那些不足之處進(jìn)行完善與改進(jìn)，這也是今后工作中的一個(gè)重點(diǎn)，唯有如此，才可以使超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)有效的給隧道工程做貢獻(xiàn)。

[1]朱飛，劉國正，彭紅明.隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].山西建筑，2014，40（33）：156～15.

[2]孫懷鳳，聶利超，鐘世航.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（06）：1091～1113.

[3]雷春英，尚億軍，李曉虎.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在馬桑哨隧道中的應(yīng)用研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012，34（06）：1007～1012.

U456.3+3

A

1673-0038（2015）23-0310-02

2015-5-25

孫鳳成（1988-），男，助理工程師，大專，主要從事隧道施工技術(shù)管理工作。