不良地質(zhì)體超前預(yù)測(cè)方法綜述

魏冬

【摘 ? ?要】在礦山、隧道等地質(zhì)工程施工過(guò)程，掌子面中存在著多種類型的不良地質(zhì)體。隱伏的不良地質(zhì)體不僅減緩施工進(jìn)度，而且對(duì)設(shè)備以及施工人員的人身安全構(gòu)成威脅。本文研究地質(zhì)、地球物理等多種不良地質(zhì)體預(yù)測(cè)手段，對(duì)不良地質(zhì)體采用從地表到地下立體預(yù)測(cè)，以避免地下地質(zhì)工程施工過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】不良地質(zhì)體;地表預(yù)測(cè);地下預(yù)測(cè);地球物理預(yù)測(cè);地質(zhì)預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：G4 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2016.10.186

在礦山工程、巖土工程、隧道工程等坑道開(kāi)挖過(guò)程中，掌子面前方存在著諸如斷層破碎帶、軟弱夾層、溶洞、空洞、突水、突泥、涌沙、塌方、巖爆等不良地質(zhì)隱患，進(jìn)而導(dǎo)致局部崩塌、掉快、落石等地質(zhì)災(zāi)害。不良地質(zhì)體的存在直接影響著施工人員及設(shè)備安全。因此，為避免在坑道開(kāi)挖過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保障施工設(shè)備和施工人員的安全，需對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行超前預(yù)測(cè)?，F(xiàn)有技術(shù)主要從地表和地下、地質(zhì)、地球物理以及地球化學(xué)等方法對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行超前預(yù)測(cè)[1]。

一、地表超前預(yù)測(cè)

地表超前預(yù)測(cè)方法主要包括地球物理方法，同時(shí)也可結(jié)合地質(zhì)、化探等方法。

（一）瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，從而探測(cè)介質(zhì)電阻率的一種方法。對(duì)低阻體反應(yīng)敏感的特性使得瞬變電磁法在巖溶洞穴等含水地質(zhì)、煤礦采空區(qū)、深部不規(guī)則水體等預(yù)測(cè)方面適用性較強(qiáng)。

（二）可控源音頻大地電磁測(cè)深法

可控源音頻大地電磁測(cè)深法是利用不同巖石的電導(dǎo)率差異觀測(cè)一次場(chǎng)電位和磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的一種電磁勘探方法。該方法探測(cè)深度較大，橫向分辨率高，可以靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層[2]。

（三）地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法通過(guò)發(fā)射天線以款脈沖形式向掌子面前方發(fā)射高頻電磁波，電磁波在傳播過(guò)程中遇到存在電性差異的界面發(fā)生反射，接收天線接收反射的電磁波。根據(jù)接收到電磁波的波形、振幅和時(shí)間的變化特征推斷掌子面前方地質(zhì)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。

（四）地質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)前期巖土工程勘察報(bào)告、水文地質(zhì)、地層柱狀圖等的查閱，全面掌握工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌等地質(zhì)情況，并對(duì)主要不良地質(zhì)體的種類、展布以及規(guī)模作出初步預(yù)測(cè)。

（五）地球化學(xué)探查

地下氣體如氡氣沿?cái)鄬訋仙敛煽諈^(qū)不斷聚集。地球化學(xué)探查方法通過(guò)捕捉、識(shí)別地下氣體形成的異常分布以探查斷層、采空區(qū)的存在。地球化學(xué)探查方法具有投資小、異常直觀等特點(diǎn)。

二、地下超前預(yù)測(cè)

地下超前預(yù)測(cè)方法主要包括地球物理方法以及地質(zhì)方法。

（一）地質(zhì)編錄

在巷道開(kāi)挖時(shí)，對(duì)掌子面揭露的地層、巖性、產(chǎn)狀、地質(zhì)界線、地質(zhì)構(gòu)造等進(jìn)行地質(zhì)素描，重點(diǎn)反映軟硬巖展布及風(fēng)化程度、斷層性質(zhì)、規(guī)模、產(chǎn)狀、節(jié)理間距、組數(shù)等不良地質(zhì)體的產(chǎn)出規(guī)模、展布形式，并對(duì)掌子面前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（二）超前鉆孔

在巷道開(kāi)挖過(guò)程中，通過(guò)對(duì)地層進(jìn)行鉆孔取芯編錄，準(zhǔn)確判斷掌子面前方左右兩側(cè)的地層巖性、構(gòu)造、圍巖級(jí)別以及含水性等地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)而查明地層走向、傾角、厚度等地質(zhì)參數(shù)。

（三）隧道地震勘探法

小藥量爆破產(chǎn)生的地震波信號(hào)沿隧道方向以球面波的形式傳播，在不同巖層中地震波以不同的速度傳播，在其界面處被反射，并被高精度的接收器接收。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況的分析，最終顯示各種圍巖構(gòu)造界面與隧道軸線相交呈現(xiàn)的角度及距掌子面的距離，并初步測(cè)定巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)。高投入的設(shè)備以及施工期間的安全風(fēng)險(xiǎn)使得隧道地震勘探法在實(shí)際應(yīng)用中有一定局限性。

（四）水平聲波法

水平聲波法的原理為惠更斯—菲涅耳原理和費(fèi)馬原理。聲波在巖土體中的傳播速度及幅度等參數(shù)和巖土體的組成成分、密度、彈性模量以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)聲波傳播路徑中存在兩種不同的固體介質(zhì)界面時(shí)，波的傳播將發(fā)生折射、反射和波型轉(zhuǎn)換。聲波由完整巖體傳播至碎裂巖或土組成的破碎帶時(shí)，就是聲波從高阻抗介質(zhì)到低阻抗介質(zhì)的典型情況。根據(jù)斷層、巖體風(fēng)化破碎帶、軟弱夾層、巖溶以及地下水富集帶等不良地質(zhì)體與周邊地質(zhì)體的聲學(xué)特性差異，通過(guò)探測(cè)反射波信號(hào)，便可了解前方巖體的變化情況。

（五）陸地聲納法

陸地聲納法在掌子面上采用極小偏移距，單點(diǎn)采集高頻地震反射信號(hào)形成連續(xù)剖面，通過(guò)十字形觀測(cè)系統(tǒng)和寬頻帶脈沖接收技術(shù)，預(yù)報(bào)掌子面前方斷層及其它地質(zhì)界面的位置和產(chǎn)狀。由于該方法需要采集高頻地震反射信號(hào)，因此也被稱為高頻地震反射法或垂直地震波反射法。陸地聲納法具有分辨率高的特點(diǎn)，而占用掌子面進(jìn)而影響生產(chǎn)限制了陸地聲納法的適用性。

（六）真反射層析成像

真反射層析成像法采用空間多點(diǎn)接收和激發(fā)系統(tǒng)，基于圍巖中巖層邊界或不連續(xù)帶存在的聲阻抗差異，通過(guò)速度掃描和偏移成像對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。為充分獲得空間波場(chǎng)信息，提高對(duì)前方不良地質(zhì)體的定位精度，檢波器和激發(fā)的炮點(diǎn)在掌子面迎頭、頂板及兩個(gè)側(cè)幫上呈空間分布。真反射層析成像法在巖體中反射界面位置確定、巖體波速和工程類別劃分等應(yīng)用中具有較高的精度，但過(guò)高的實(shí)施成本影響了其普遍適用性。

三、結(jié)論

隱伏的不良地質(zhì)體降低了地下工程的進(jìn)度，對(duì)施工設(shè)備和施工人員的安全生產(chǎn)造成隱患。通過(guò)對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行地表、地下的立體探測(cè)以及地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等多種探測(cè)方法，瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法、水平聲波法、陸地聲納法等多種探測(cè)技術(shù)的有效結(jié)合，能夠有效預(yù)測(cè)不良地質(zhì)體的空間展布形態(tài)以及規(guī)模，為巷道掘進(jìn)、支護(hù)提供可靠的技術(shù)情報(bào)與服務(wù)支撐，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，進(jìn)而保障施工設(shè)備和施工人員的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳勇，紀(jì)傳賓，朱建華. 隧道施工不良地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)及處理措施[J].內(nèi)蒙古石油化工，2013，（15）： 59～60.

[2]常帥斌.綜合地質(zhì)-物探探測(cè)某隧道不良地質(zhì)體的實(shí)際應(yīng)用[J].福建地質(zhì)，2011，（3）：233～238.