隧道超前地質(zhì)預(yù)報的技術(shù)研究

蔣佳

摘要：在隧道工程施工階段，容易遇到斷層破碎帶、溶洞、富水層等地質(zhì)情況，這些地質(zhì)會影響施工效率和施工質(zhì)量，前期勘察設(shè)計資料與實際地質(zhì)情況的匹配程度也相對較低。而開展超前地質(zhì)預(yù)報，可以幫助施工單位準(zhǔn)確掌握隧道掌子面前方信息，在此基礎(chǔ)上，對設(shè)計方案和施工方法進行調(diào)整，有利于確保工程施工的順利進行。因此，對此項課題進行研究，具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：隧道;超前地質(zhì)預(yù)報;技術(shù)

1超前地質(zhì)預(yù)報的主要難點

1.1地質(zhì)勘探的局限性

由于隧道埋深較大，測量難度較大。同時，由于其自身斷面尺寸的影響，水平鉆或超前掘進等檢測方法存在很大的局限性。施工周期長，成本高。

1.2地質(zhì)和物理性質(zhì)差異較大

詳細地質(zhì)超前預(yù)報包括地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)、水文等內(nèi)容。其中，巖體的結(jié)構(gòu)特征、工程特征和完整性主要體現(xiàn)在力學(xué)性質(zhì)上，而水文特征主要體現(xiàn)在電性差異上。任何單一類型的地球物理方法都難以涵蓋機械和電氣性能的變化。

1.3復(fù)雜地震波相位

隧道中的地震反射波是三維的。有必要分析反射波的不同方向、波速、位置和性質(zhì)。同時，表面波、縱波和轉(zhuǎn)換波的識別比在地表觀測到的地震相位要復(fù)雜得多。

1.4預(yù)報要求的內(nèi)容多、質(zhì)量高

隧道超前預(yù)報主要涉及三個地質(zhì)問題：一是構(gòu)造軟弱帶問題，包括斷層、溶洞、破碎帶等不良地質(zhì)體的性質(zhì)、規(guī)模、位置和產(chǎn)狀;二是危險的含水、含氣構(gòu)造，包括含水?dāng)鄬?、含水溶洞和含水松散體的位置、規(guī)模、富水性和水壓;天然氣產(chǎn)生、儲存和覆蓋的地質(zhì)條件;三是圍巖的工程類別。這三個問題都是工程物探的難題。

2隧道超前地質(zhì)預(yù)報的技術(shù)

2.1地震波法

TSP（TunnelSeismicPrediction）隧道超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)是由瑞士Amberg公司研制的一種超前地質(zhì)預(yù)報產(chǎn)品，目前在我國應(yīng)用十分廣泛。TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)屬于反射地震波法，是通過人工震源產(chǎn)生的一部分球面波通過隧道軸線方向向掌子面前方傳播，當(dāng)掌子面前方遇到地層界面、溶洞、裂隙等不良地質(zhì)體時，將產(chǎn)生反射波，根據(jù)反射波的反射時間、傳播速度、強度、波形和方向等通過不同的數(shù)據(jù)形式表現(xiàn)出來，然后被高靈敏傳感器接收，通過電腦處理來預(yù)測掌子面方不良地質(zhì)體的相關(guān)性質(zhì)與產(chǎn)狀。

2.2聲波測試

聲波對裂紋響應(yīng)非常敏感。當(dāng)遇到裂紋時，界面效應(yīng)發(fā)生，波能量消耗，波形變得復(fù)雜，波速減慢。此外，聲波速度還與巖體強度有關(guān)。聲波測試方法有很多種，主要包括巖石表面測試和孔內(nèi)測試：巖石表面測試在開挖段進行。由于隧道開挖和爆破，形成了許多拉伸裂縫，地表巖石的實測波速略低于實際巖體的波速。鉆孔測試可分為單孔和雙孔。單孔測試是將發(fā)射源和接收器放在同一個孔中，但只能測量鉆孔周圍一個波長范圍內(nèi)的地質(zhì)條件。雙孔測試是將發(fā)射源和接收器放置在不同的鉆孔中，測試兩個鉆孔之間的巖石波速。

2.3地質(zhì)雷達技術(shù)

探地雷達是一種短距離、有效的地下水探測預(yù)報方法。它利用電磁波的雙向傳播時間差來確定前方地質(zhì)體的形狀和屬性。其工作原理是將連續(xù)的電磁波傳輸?shù)剿淼狼胺健Ｓ捎谇胺降刭|(zhì)體的荷電性質(zhì)不同，在遇到不良地質(zhì)體界面時會有所反映。接收設(shè)備將接收返回的電磁波，回波的頻率、振幅和相位將相應(yīng)地改變。根據(jù)前方不良地質(zhì)體的特點，分析其類型和規(guī)模。在實際應(yīng)用中，探地雷達能更好地反饋前方圍巖性質(zhì)的變化。在識別致密破碎帶、斷層破碎帶等不良地質(zhì)體方面具有一定優(yōu)勢，對巖溶及含水層影響明顯。但是，探地雷達探測距離太短，在探測過程中容易受到其他雜波的干擾，另外，不良地質(zhì)體的垂向發(fā)育和傾角存在一定的局限性，影響了預(yù)測結(jié)果，因此，有必要配合其他方法進行綜合勘探。

2.4紅外探測

所有物體都發(fā)射不可見的紅外能量，該能量與物體的發(fā)射率成正比。發(fā)射率取決于物體的材料及其表面狀況。當(dāng)隧道頭部前方和周圍介質(zhì)為單一介質(zhì)時，測得的紅外場為法向場。當(dāng)前方有隱蔽的含水構(gòu)造或水體時，其產(chǎn)生的場強應(yīng)疊加在法向場上，使法向場發(fā)生畸變。據(jù)此判斷隧道前方一定范圍內(nèi)是否有含水構(gòu)造。紅外輻射曲線的上升或下降可以確定是否存在水，在其他情況下是否存在水。紅外探測的特點是可以探測到隧道的整個空間和各個方向。這儀器操作簡單。可預(yù)測隧道周邊空間及開挖前方30m范圍內(nèi)是否有隱蔽水體或含水建筑物。可在施工間隔內(nèi)進行測試，不占用施工時間。然而，這種方法只能確定沒有水，并且沒有定量的解釋。

2.5偏移成像技術(shù)

TST可將波場分離和波速掃描確定的最優(yōu)速度作為基礎(chǔ)，使用合成孔徑偏移成像技術(shù)。就是將目標(biāo)點散熱強度作為切入點，通過延時疊加的方式，使觀測孔徑內(nèi)的散熱信號不斷疊加，最終對地層分層位置的反射界面進行精確反映。就是計算圍巖波速和地震回波走時，并依據(jù)計算結(jié)果找到異常界面所處位置。此外，對圍巖阻抗變化進行明確，可以對地震回波的幅值變化和極性變化進行運用，通過這種措施，使異常界面兩側(cè)圍巖物性差異被準(zhǔn)確反映。

2.6電磁波法

電磁波法利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播和反射特性進行地質(zhì)預(yù)測。目前常用的方法是地質(zhì)雷達。利用地質(zhì)雷達進行超前預(yù)報時，當(dāng)當(dāng)前方巖完整時，可預(yù)報25m的距離;當(dāng)巖石不完整或有構(gòu)造時，預(yù)測距離也可達到15m左右。雷達探測效果主要取決于不同介質(zhì)的介電常數(shù)。如果介質(zhì)間的介電常數(shù)差較大，則檢測效果較好。在隧道內(nèi)測試時，由于干擾因素較多，往往會產(chǎn)生虛假異常，形成誤判。因此，應(yīng)加強數(shù)據(jù)采集和處理，盡可能消除干擾，提高檢測精度。

2.7綜合超前預(yù)報方法

隨著技術(shù)水平的快速發(fā)展和施工環(huán)境的復(fù)雜，隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)已從單一的預(yù)報技術(shù)發(fā)展到綜合預(yù)報系統(tǒng)。目前，先進的地質(zhì)預(yù)報技術(shù)主要有地質(zhì)調(diào)查法、地震波法、電磁法、直流法等，施工現(xiàn)場綜合運用多種地質(zhì)預(yù)報方法，對掌子面前方的不良地質(zhì)條件進行預(yù)測，數(shù)據(jù)處理和預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確、清晰。建立五階段綜合調(diào)查體系，建立高風(fēng)險巖溶隧道地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)害預(yù)警機制。采用定性分析與定量分析相結(jié)合的方法，建立了隧道前方不良地質(zhì)體綜合分析預(yù)測體系，并通過現(xiàn)場預(yù)測結(jié)果進行了驗證。

2.8隧道綜合預(yù)報體系

在進行隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報時，每種預(yù)報方法的探測原理、探測距離、探測范圍都不相同，其對隧道前方不良地質(zhì)體的地質(zhì)構(gòu)造的判別程度也不相同，根據(jù)不同地質(zhì)構(gòu)造的地球物理特性，以“地質(zhì)調(diào)查與物探技術(shù)相結(jié)合、長中短距離相結(jié)合、洞內(nèi)外相結(jié)合、定性與定量分析相結(jié)合、經(jīng)驗法與專家系統(tǒng)分析相結(jié)合”五結(jié)合為原則，建立綜合超前預(yù)報體系。

結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)和計算機技術(shù)的應(yīng)用，以及特殊物探手段的不斷發(fā)展，先進地質(zhì)預(yù)報通過與宏觀地質(zhì)預(yù)報相結(jié)合，對地質(zhì)災(zāi)害進行評估，及時發(fā)出警報，中長期預(yù)測（TRT）、短期預(yù)測（地質(zhì)雷達）、特殊方法預(yù)測（鉆孔電視）采取有效的應(yīng)急建設(shè)措施，為重大地質(zhì)災(zāi)害的防治提供有力保障。

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