鉆爆法隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

曾明生

（四川攀大高速公路開發(fā)有限責(zé)任公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)指采用一定技術(shù)手段，對(duì)隧道開挖掌子面前方地質(zhì)情況及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置及產(chǎn)狀的探測(cè)、分析解釋與預(yù)報(bào)，既是隧道施工必不可少的技術(shù)環(huán)節(jié)[1]，也是防止隧道發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害、及時(shí)調(diào)整施工與支護(hù)參數(shù)、評(píng)判圍巖穩(wěn)定與否的積極有效手段，更是隧道動(dòng)態(tài)施工設(shè)計(jì)與安全施工的必要前提[2]。

當(dāng)前，因掌子面前方地質(zhì)信息、不良地質(zhì)體分布特征及構(gòu)造情況無法準(zhǔn)確獲取，或施工方不重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作而引起隧道掌子面塌方、突水突泥、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等情況時(shí)有發(fā)生，其不僅嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度，造成工期滯后，同時(shí)還會(huì)造成一定經(jīng)濟(jì)損失，甚至出現(xiàn)人員傷亡情況，使隧道安全施工面臨巨大挑戰(zhàn)。

因此，在隧道開挖施工中，面對(duì)極其復(fù)雜、不斷變化的地質(zhì)條件和未查明前方地質(zhì)情況給隧道施工帶來的潛在巨大風(fēng)險(xiǎn)，隧道施工方有必要進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，以確保隧道掌子面開挖的安全、順利進(jìn)行[3]。

目前，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用方法主要有地質(zhì)分析法、超前鉆探法、地質(zhì)雷達(dá)法、TSP 法等，各方法均有一定的局限性，特別是不同隧道地質(zhì)條件各不相同，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法適用條件、探測(cè)精度也不盡相同。

在對(duì)比主流預(yù)報(bào)方法優(yōu)缺點(diǎn)后，針對(duì)隧道開挖掌子面前方地質(zhì)信息的超前準(zhǔn)確判識(shí)和演化規(guī)律分析，提出以地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，以隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（MWD）為數(shù)據(jù)采集工具，以機(jī)器學(xué)習(xí)算法和大數(shù)據(jù)分析、推演為手段的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)新方法。

1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)前，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用方法可以分為四類：

一是超前鉆探類（超前導(dǎo)坑法、超前鉆孔法等），二是地震反射類（TSP 法、TRT 法等），三是電磁類（地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法等），四是其他方法（紅外探測(cè)法、BEAM 法等）。各類方法均有各自的適用范圍、敏感特性和優(yōu)缺點(diǎn)，各類常見超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對(duì)比如表1 所示。

表1 常見超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法比較

2 隧道超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)技術(shù)

由于每種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的技術(shù)原理各不相同，其適用條件及探測(cè)目標(biāo)精度也各不相同，僅靠某一種預(yù)報(bào)方法對(duì)隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性并不十分可靠。于是，綜合各種預(yù)報(bào)方法特長(zhǎng)，利用多種超前預(yù)報(bào)方法相互結(jié)合、相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的優(yōu)勢(shì)，可起到降低探測(cè)解譯多解性、提高預(yù)報(bào)結(jié)果可靠性的作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道超前地質(zhì)體性質(zhì)（包括軟硬程度、節(jié)理構(gòu)造發(fā)育程度和富水程度）和空間位置的較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

2.1 超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)

在隧道工程地質(zhì)調(diào)查、掌子面素描、加深炮孔探測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)一般風(fēng)險(xiǎn)隧道，采用地震反射類方法進(jìn)行隧道長(zhǎng)距離地質(zhì)的超前預(yù)報(bào)，采用電磁類法進(jìn)行隧道短距離地質(zhì)的超前預(yù)報(bào)，以及采用紅外探測(cè)設(shè)備進(jìn)行隧道含水體的超前探測(cè)；而對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)隧道，則采用超前水平鉆進(jìn)行超前鉆探，同時(shí)結(jié)合其他各種有效手段進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，以達(dá)到對(duì)隧道前方地質(zhì)的綜合預(yù)報(bào)。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分級(jí)與綜合預(yù)報(bào)方法

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可分為四個(gè)等級(jí)：C1 適用于工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的一般地段；C2 適用于不良地質(zhì)較發(fā)育的地層，可能存在涌水、局部擠壓破碎帶等不良地質(zhì)；C3 適用于重大不良地質(zhì)地段，主要是對(duì)地勘已經(jīng)標(biāo)明的不良地質(zhì)體如斷層破碎帶、涌突水段等進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)；C4 為瓦斯專項(xiàng)探測(cè)，適用于含瓦斯地層地段。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分級(jí)如表2 所示。

表2 超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)方式

超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)工作順序如下：

第一，隧道開挖爆破后立即進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查并進(jìn)行地質(zhì)素描，一般地段每10m 記錄一次，地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，增加素描。

第二，利用彈性波法每隔100m 左右探測(cè)一次，粗略掌握掌子面前方的不良地質(zhì)分布情況。

第三，采用地質(zhì)雷達(dá)或瞬變電磁儀在接近不良地質(zhì)體30m 左右時(shí)探測(cè)一次，進(jìn)一步核實(shí)與了解不良地質(zhì)的分布情況。

第四，若物探方法初步判定前方有不良地質(zhì)體，當(dāng)掌子面接近不良地質(zhì)體10m 左右時(shí)，應(yīng)采用鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。

第五，根據(jù)物探與鉆探結(jié)果，并結(jié)合前期地勘成果及工程地質(zhì)調(diào)查資料，綜合判定不良地質(zhì)體的范圍與程度。

3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)探索

隨著我國(guó)隧道建設(shè)重點(diǎn)逐漸向地形地質(zhì)條件復(fù)雜的深長(zhǎng)山嶺隧道轉(zhuǎn)移，隧道施工所面臨的工程地質(zhì)條件正變得愈加復(fù)雜多變，各種不良地質(zhì)體給隧道開挖帶來的安全、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)愈加提高，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作重要性也愈加凸顯。為了更全面、準(zhǔn)確地判斷并掌握隧道施工前方一定區(qū)域的工程地質(zhì)情況，減少或杜絕施工期間地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而保證隧道生產(chǎn)安全，四川路橋集團(tuán)公路隧道分公司（簡(jiǎn)稱“隧道分公司”）在研判超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、考慮超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)需求與現(xiàn)有技術(shù)水平，并結(jié)合一定工程實(shí)踐分析的基礎(chǔ)上，提出了未來一段時(shí)期內(nèi)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展的主要方向（內(nèi)容），即：

第一，隧道超前地質(zhì)的定量預(yù)報(bào)理論與技術(shù)研究；第二，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)精細(xì)超前預(yù)報(bào)理論與技術(shù)研究；第三，實(shí)時(shí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與施工災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。

3.1 隧道超前地質(zhì)的定量預(yù)報(bào)理論與技術(shù)研究

當(dāng)前，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容是對(duì)隧道掌子面前方工程地質(zhì)的定性描述，預(yù)測(cè)結(jié)果往往與實(shí)際地質(zhì)情況偏差較大，難以為隧道施工提供較準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)。未來，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)內(nèi)容將逐漸由定性描述向定量確定發(fā)展，具體實(shí)現(xiàn)途徑為：首先，借助物探法對(duì)隧道掌子面前方地質(zhì)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，得到超前預(yù)報(bào)波形圖，而后收集隧道后續(xù)每一循環(huán)開挖后的掌子面照片，并對(duì)掌子面巖體的巖性、節(jié)理和構(gòu)造等地質(zhì)信息作準(zhǔn)確描述。其次，利用三維重構(gòu)技術(shù)將一定開挖距離內(nèi)的隧道地質(zhì)體進(jìn)行地質(zhì)重構(gòu)，建立可反映該距離內(nèi)隧道真實(shí)地質(zhì)信息的三維重構(gòu)模型，并與超前預(yù)報(bào)波形圖建立聯(lián)系。最后，利用圖像深度學(xué)習(xí)算法對(duì)大量重構(gòu)地質(zhì)模型和超前預(yù)報(bào)波形圖數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，得到可準(zhǔn)確、定量識(shí)別隧道超前地質(zhì)信息的優(yōu)化算法，提高物探分析軟件對(duì)物探結(jié)果的解譯精度，從而達(dá)到對(duì)隧道超前地質(zhì)的定量描述。

隧道分公司已在多個(gè)隧道項(xiàng)目上線并運(yùn)行“智慧隧道AI 建造系統(tǒng)”，該系統(tǒng)具備“隧道智庫(kù)”版塊功能，可有效、大量收集隧道掌子面照片和第三方超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，形成隧道掌子面地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)隧道超前地質(zhì)定量化預(yù)報(bào)和地質(zhì)解譯算法優(yōu)化技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)精細(xì)超前預(yù)報(bào)理論與技術(shù)研究

隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（MWD）是一種通過不斷采集并實(shí)時(shí)分析鉆桿在鉆進(jìn)過程中所產(chǎn)生的鉆速、回轉(zhuǎn)與推進(jìn)壓力等數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的新型預(yù)報(bào)技術(shù)。該系統(tǒng)主要搭載在鑿巖臺(tái)車、多功能鉆孔臺(tái)車等鉆探設(shè)備上，而受限于當(dāng)前裝備技術(shù)水平，鉆探設(shè)備上所搭載的參數(shù)傳感器種類較少，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可獲取的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)有限，以至于利用MWD 技術(shù)無法對(duì)鉆進(jìn)巖體地質(zhì)狀況做出準(zhǔn)確、較絕對(duì)的評(píng)價(jià)。未來的研發(fā)方向?qū)⑹窃阢@桿上搭載更多用于隧道超前地質(zhì)信息評(píng)價(jià)的參數(shù)傳感器，如自然伽馬傳感器、方位中子密度傳感器、聲波傳感器、補(bǔ)償雙側(cè)向電阻率傳感器以及高清成像攝像頭等，以采集大量與隧道地質(zhì)信息評(píng)價(jià)相關(guān)的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)。此外，需補(bǔ)充并完善隨鉆測(cè)量系統(tǒng)所涵蓋的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，為鉆進(jìn)數(shù)據(jù)與地質(zhì)信息的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)提供支撐。通過精確匹配鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)與地質(zhì)數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有望大幅度提高隨鉆測(cè)量系統(tǒng)及其技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用中的準(zhǔn)確性與普適性，實(shí)現(xiàn)隧道超前地質(zhì)的隨鉆精細(xì)測(cè)量與預(yù)報(bào)。

隧道分公司在“數(shù)字隧道智能建造”示范基地建設(shè)中已引進(jìn)一臺(tái)搭載隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的全電腦三臂鑿巖臺(tái)車，目前已實(shí)現(xiàn)較初級(jí)的開挖鉆孔內(nèi)巖體的超前預(yù)報(bào)，為隧道掌子面巖體的自動(dòng)判識(shí)與智能分級(jí)提供了較有力的支撐。下一步將繼續(xù)加大對(duì)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)功能的優(yōu)化和對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的完善工作，增加系統(tǒng)對(duì)可反映超前地質(zhì)信息其他數(shù)據(jù)的獲取能力，建立已采集數(shù)據(jù)與超前地質(zhì)之間的準(zhǔn)確映射關(guān)系，以盡快實(shí)現(xiàn)三臂鑿巖臺(tái)車對(duì)隧道超前地質(zhì)的精細(xì)、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

3.3 實(shí)時(shí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與施工災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

針對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法耗時(shí)長(zhǎng)、探測(cè)精度較低的技術(shù)特點(diǎn)，可開展實(shí)時(shí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)、災(zāi)害賦存源的定量預(yù)報(bào)和災(zāi)變過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其理論依據(jù)是：隧道貫穿區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)和不良地質(zhì)體的賦存情況有其特殊的復(fù)雜性、突變性和隱蔽性。然而，除斷層破碎帶、不同巖層接觸帶等處巖體性質(zhì)可能發(fā)生較大突變外，一定施工時(shí)期內(nèi)，隧道掌子面前方巖體則表現(xiàn)出較好的連貫性和規(guī)律性。此外，就整條隧道而言，隧道施工范圍內(nèi)圍巖巖性種類有限，通過建立有限的不同圍巖地質(zhì)體模型，可達(dá)到對(duì)隧道掌子面前方地質(zhì)體巖性及賦存狀況的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。因此，基于海量的掌子面地質(zhì)特征、隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)和圍巖地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用人工智能技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)所收集的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行不斷訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，可研發(fā)對(duì)隧道掌子面前方一定距離內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行綜合、實(shí)時(shí)分析預(yù)報(bào)的自動(dòng)判識(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將以圍巖地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)為地質(zhì)依據(jù)，以隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)降低多解性，通過對(duì)上傳的掌子面高清照片進(jìn)行圖像識(shí)別與智能判識(shí)，自動(dòng)分析并預(yù)測(cè)隧道前方一定距離內(nèi)的地質(zhì)情況，且隨著隧道開挖的進(jìn)行，已開挖隧道內(nèi)的地質(zhì)數(shù)據(jù)將不斷修正、完善圍巖地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)和算法規(guī)則，使系統(tǒng)對(duì)隧道超前地質(zhì)的巖體分級(jí)與預(yù)報(bào)結(jié)果更加準(zhǔn)確。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)將基于預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)施工可能存在的災(zāi)害進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。目前，隧道分公司已與相關(guān)高校科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)合作，對(duì)隧道實(shí)時(shí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與施工災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)展開了研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)短期內(nèi)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展的主要方向進(jìn)行初步探索，使隧道施工現(xiàn)場(chǎng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度逐步提升?！爸腔鬯淼繟I 建造系統(tǒng)”在各項(xiàng)目成功應(yīng)用且已積累大量數(shù)據(jù)，為后續(xù)隧道超前地質(zhì)定量化預(yù)報(bào)和地質(zhì)解譯算法優(yōu)化技術(shù)研究提供了數(shù)據(jù)支撐；全電腦三臂鑿巖臺(tái)車的應(yīng)用已實(shí)現(xiàn)較初級(jí)的開挖鉆孔內(nèi)巖體的超前預(yù)報(bào)，為隧道掌子面巖體的自動(dòng)判識(shí)與智能分級(jí)提供了較有力的支撐；實(shí)時(shí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與施工災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)已進(jìn)入密切合作和深入研究階段，研究成果將直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工，實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行監(jiān)控，提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。