超前地質預報在隧道施工中的應用

　　隧道工程地質情況具有復雜性和不可見性，通過采用超前地質預報，可以減少隧道施工過程中的盲目性，能較好的避免地質災害的發生。本文總結了隧道施工中常用的超前地質預報的方法，分析了各種方法的優缺點及其對各種不良地質情況的響應和適宜性，為選擇適宜的預報方法提供依據。在隧道施工中宜采用超前地質綜合預報技術，超前地質綜合預報應以“地質分析為核心，運用物探與鉆探相結合、長距離與短距離相結合、地面與地下相結合、物性參數互補”為原則。

　　《現代地質》(雙月刊)創刊于1987年，堅持辦刊的“四新”原則——新觀點、新成果、新方法、新動向，以交流地質科技最新成果、推動地質科技創新與發展、服務于國家礦產資源的勘探與開發事業為宗旨，報道內容涵蓋“基礎地質”、“能源地質”、“海洋地質”、“災害地質”、“勘查地球物理”、“勘查地球化學”和“地學信息技術”等學科領域。目前已被國內外多家數據庫和圖書館收藏。

　　1引言

　　我國是一個多山國家,西部腹地更是山嶺重重。伴隨著國民經濟的飛速發展，大型基礎工程設施建設發展迅速，特別是近年來隨著西部大開發的深入，鐵路、公路工程、水利水電中新建隧道工程規模越來越宏大，而這些隧道工程都具有洞徑大、埋藏深、洞線長的共同特點，且往往地表地勢險要，洞線通過的地質條件復雜。隧道施工的主要依據是設計文件，而隧道工程設計的基本依據是地質勘察資料。勘察設計階段的工作重點往往關注的是與工程的安全、穩定、經濟、運行特點相關的主要地質條件，而對于影響局部施工的小的、局部的地質情況在受自然條件、勘察技術、經濟問題的局限勘察設計階段一般都不要求詳細查明。但一些局部的、分散的、隨機的不良地質洞段卻是施工最大的安全隱患，主要表現為隧道施工中塌方、突水、涌泥、巖爆、有害氣體等地質災害。大量的隧道工程建設實踐表明，由于前期地質勘測資料的缺陷，給后期施工階段帶來許多預想不到的困難和危害，使施工帶有很大的盲目性，一旦發生事故，輕則影響工期，增加工程投資，重則砸毀機械設備，甚至造成人員傷亡，而且事故發生后的處理工作難度較大。在施工過程中由不良地質體導致隧道修建嚴重受挫的實例在國內外不乏其例，如2007年8月湖北宜萬鐵路野三關隧道工程掘進面發生的突水、突泥事故，造成了巨大的人員和財產損失。因此在隧道施工時，對隧道掘進方向的地質情況通過技術手段進行超前預報、預測，以便提早、及時地采取有效的施工方法，就顯得尤為重要。

　　2超前地質預報方法分類及主要方法介紹論文

　　隧道所處地質條件或者地質背景千差萬別，不同地質背景條件下的隧道施工對隧道施工期超前地質預報的要求是不一樣的：可溶性地層中隧道施工期超前地質預報的重點是巖溶發育的位置、規模、巖溶充填性質、巖溶涌水涌沙突泥量及涌水水壓的大小;非可溶性巖沉積巖地層中的隧道施工期超前地質預報的重點在于對斷裂構造破碎帶、軟弱夾層、不利結構面等造成的圍巖不穩定塊體坍塌等的位置和規模的預報;深埋硬質完整巖體中的隧道施工期超前地質預報的重點則是對可能出現的巖爆災害位置和規模進行預報;煤系地層中隧道施工期超前地質預報的重點主要是對煤層、可能出現的瓦斯突出、廢棄礦巷的位置及廢棄礦巷充填情況的預報。由此可見，隧道施工期超前地質預報不僅僅進行某一方面的內容，往往同時兼有其他的預測內容，有必要進行隧道施工期超前地質預報分類。根據技術手段和實現方法不同，隧道施工期超前地質預報可以分為(圖1)：

　　2.1地質分析法論文

　　地質分析法主要根據隧道洞內外地質調查結果及相關分析結論進行預報，是隧道施工期超期地質預報中最基本和最常用的方法，常用的是地質素描。地質素描是對開挖面的地質情況如實而準確的描述，素描的主要內容包括地層巖性、構造發育情況含斷層、貫穿性節理、夾層或巖脈、地下水的出水狀態、圍巖的穩定性及初期支護采用的方法等。正洞地質素描超前預報是利用所見到正洞已開挖段的地質情況預報前方可能出現的不良地質條件。正洞地質素描的優點是不占用施工時間，設備簡單，不干擾施工，出結果快，能提供了完整的地質資料。缺點是對與隧道夾角較大而又向前傾的結構面容易產生漏報，如對結構面向開挖后方傾斜的斷層預報效果較好，因為斷層先在隧道底出露對于向掌子面前方傾斜的結構面因為先在頂部出現，預報時效果相對較差，另外預測距離也較短，采用盾構施工法時無法開展隧道洞內地質調查。

　　圖1隧道施工超前地質預報方法分類

　　2.2超前鉆探法

　　超前鉆探法是在隧道內安放水平鉆機進行水平鉆進，根據水平方向上鉆進速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液的顏色、氣味、巖粉以及在鉆探過程中遇到的其他情況來推斷掌子面前方的地質情況，鉆孔的數量、角度及鉆孔長度可人為設計和控制，可以通過直接采集巖芯進行各種抗壓強度試驗以獲取巖石的物理理學特征，也可以通過鉆孔及時釋放影響隧道施工的瓦斯和地下水等有害氣體和液體。這種方法是一種傳統而可靠的方法，能了解掌子面前方幾米，幾十米甚至上百米的范圍內圍巖的工程地質情況，基本上可以反映前方巖體的大概情況，比較直觀。但該方法也存在不足之處：①在復雜地質條件下預報效果較差，很難預測到正洞掌子面前方的小斷層和貫穿性大節理，特別是與隧道軸線平行的結構面，其預報無反映;②鉆孔與鉆孔之間的地質情況反映不出來;③探測速度慢，一次探測距離短，投入費用高，影響隧道正常施工。

　　根據鉆探的深度可分為短距離、中距離、長距離地質超前鉆探：①短距離，鉆探深度≤6m，主要選擇加深炮孔探測方法;②中距離，鉆探深度6～30m，主要選擇潛孔鉆機設備;②長距離，鉆探深度30～150m，主要選擇快速超前水平鉆機設備。

　　2.3地球物理勘探法論文

　　地球物理勘探法簡稱物探法，是間接、無損的測試手段，采用地球物理方法作為地質超前預報的手段，根據隧道施工掌子面前方地質情況的探測結果或隧道地表地球物理探測結果進行隧道超前地質預報。從原理上講，凡是能進行隧道掌子面勘探的所有地球物理方法均能用來進行隧道開挖前方的不良工程地質預報，但是由于受到工作條件的限制或全空間探測解釋困難的因素制約，目前主要有電磁波反射法、彈性波反射法、紅外探測法、電阻率法。先介紹如下：

　　(1)地質雷達法(GPR)

　　地質雷達法時一種常見的電磁波反射法，它利用無線電波檢測地下介質分布和對不可見目標或地下界面進行掃描，以確定其內部形態和位置的電磁技術，其理論基礎為高頻電磁波理論，利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式由地面通過發射天線送入地下，經地下不連續體或目標體反射后返回地面為接收天線所接收，反射電磁波經過一系列的處理和分析之后可以得到探測介質的有關信息(如圖2所示)。主要用于巖溶探測、斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻地質體或者其它含水地質體的探測。具有以下的優點：①使用范圍廣，抗干擾能力強，不受外界條件限制;②探測時間短，一次完成只需要30分鐘左右，加上探測前準備工作，全部工作時間不超過1小時，對隧道施工干擾小，基本上不影響隧道掘進施工;③提交資料及時，圖形直觀，現場采集數據時就可以了解掌子面前方的地質情況;④成本較低。其缺點是當測線附近有管線、大型鋼構、強電磁干擾設備等物體是誤差較大。

　　圖2地質雷達工作原理示意圖

　　(2)彈性波反射法

　　彈性波反射法是利用人工激發的地震波或聲波在不同波阻抗地質體中所產生的反射波特性，預報隧道開挖工作面前方地質情況的物探方法。常用的有地震波反射法(TSP/TRT/TGP)和聲波反射法(HSP)。

　　TSP是目前最常用的物探法，在實際使用中可通過放炮或者錘擊產生地震波。產生的地震波在隧道圍巖中傳播，當遇到掌子面前方的不良地質構造,如地層層面、節理面，特別是斷層破碎帶界面、溶洞和暗河等時，地震波會發生反射，反射的地震波被檢波器接收。然后將所采集的數據利用軟件處理,可獲取P波和S波的波場分布規律。并遵循以下原則來推斷地質體的性質：①正反射振幅表明硬巖層，負反射振幅表明軟巖層;②若S波反射比P波強,則表明巖層飽含水;③P波與S波波速比增加或泊松比突然增大，常是由于流體存在而引起的;④若P波波速下降,則表明裂隙或孔隙增加。

　　(3)紅外探測法

　　紅外線探測是通過紅外分析進行地質超前預報的方法，因為在隧道中，圍巖每時每刻都在向外輻射紅外波段的電磁波，并形成紅外輻射場，巖層在向外輻射紅外輻射的同時，必然會把它內部的密度、能量、方向等信息傳遞出來。例如紅外探水就是通過接收巖體的紅外輻射強度，根據圍巖紅外輻射場強度的變化來確定隧道掌子面前方或周圍是否有隱伏的含水體。該方法的優點：測量快速，基本不占用施工的時間資料分析快，測量完畢即可得到初步的結果。缺點是只能定性的結論，不能定量測量含水量的大小，水壓等重要的參數。

　　(4)電阻率法

　　電阻率法通過測量電阻率來進行地質超前預報的方法。常用的有瞬變電磁法和BEAM法。瞬變電磁法是一種時間域電磁法，它是利用階躍電磁脈沖激發，不接地回線向掌子面前方發射一次場，在一次場斷電之后，測量由介質產生的感應二次場隨時間的變化，來達到尋找各種地質目標的超前預報方法，因而對地下水具有較好的敏感性，而對巖體強度、巖體破碎程度、干溶洞等不易判斷。BEAM法是由德國GEO-HYDRAULIKDATA公司開發的一種通過對巖層電阻率進行測試(激發極化法)來探知巖石質量、空洞和水體的物探方法，對巖體的節理裂隙發育、破碎程度和溶洞有較好的敏感性。

　　2.4超前導坑法

　　超前導坑法可分為超前平行導坑和超前正洞導坑。平行導坑法是把小斷面導坑布置平行于正洞，和正洞之間有一定的距離;而正洞導坑法是把導坑布置在正洞中。它們的作用都是在導坑開挖過程中對遇到的構造、結構面或地下水等情況作地質素描圖，通過地質素描圖對正洞的地質條件進行預報，采用這種方法的優點是比較直觀、精度高、可以進行長距離預報;同時該方法可以增加工作面，加快施工進度，還可以起到排水減壓放水，改善通風條件的作用。但是采用超前導坑法進行預報也有缺陷：①是成本太高，有時需要對全洞進行平導開挖;②是在構造復雜地區準確度不高。

　　表1各種隧道施工地質預報方法工作應用情況對比表

　　預報

　　方法 適用性 預報

　　距離 費用 對隧道施工的影響 受場地條件的限制

　　地質分析法 所有不良地質預報 6m

　　左右 低 除開挖工作面地質編錄外，幾乎不占用隧道施工時間。 盾構施工無法開展隧道洞內地質調查。

　　物探法 彈性波反射法(炸藥震源) 主要對斷層、軟弱夾層(含煤層)、巖溶前界面等界面位置預報，可分析確定界面間介質性質 100～150m 較高 需在隧道邊墻上鉆鑿24個深1.5m的激振炮孔，2個深2m的接收鉆孔;炸藥爆破激發地震波，現場測試時間約2小時。 現場鉆鑿彈性波接收孔至隧道開挖工作面間需清場并停止洞內爆破施工作業。

　　彈性波反射法(非炸藥震源) 主要對破碎帶，軟弱夾層，含水區域等界面位置預報，可顯示三維空間異常圖像。 100～150m 低 采用錘擊震源激發地震波，在隧道三維空間內布置傳感器，現場工作時間約1小時。 現場開始采集彈性波數據時需停止其他震動干擾源作業，不需清場。

　　地質雷達法 主要對斷層、軟弱夾層(含煤層)、巖溶前界面等界面位置預報，可分析確定界面間介質性質。 ≤30m 適中 無需任何準備，現場測試時間30分鐘。 測線附近不得有管線、大型鋼構、強電磁干擾設備等物。

　　紅外

　　探測法 主要對含水圍巖巖體位置預報，對但水量大小無法確定 ≤30m 適中 需停止熱量干擾源的輻射作用，如關掉工作設備、照明設備等?，F場測試時間20分鐘。 受隧道洞內空氣溫度影響明顯，現場確保沒有其他熱量輻射源。

　　超前鉆探法 所有不良地質預報 6～150m 高 占用隧道開挖工作面施工時間長。 隧道開挖工作面較小，鉆探范圍有限。

　　超前導坑法 所有不良地質的預報 視導坑長度而定 最高 超前導洞有臨時支護的，擴挖時需去掉臨時支護;超前平行導洞先行施工隧道，對隧道和后施工隧道無影響。 無

　　3隧道施工超前地質綜合預報

　　隧道施工超前地質綜合預報就是根據隧道工程特點，以地質分析為基礎，多種探測手段相結合，綜合分析、預報隧道開挖工作面前方可能遇到的不良地質體及由此可能發生的地質災害的性質、分布位置、規模，并提出相應措施建議的綜合地質方法技術。

　　3.1綜合預報原則

　　隧道施工超前地質綜合預報應以“地質分析為核心，運用物探與鉆探相結合、長距離與短距離相結合、地面與地下相結合、物性參數互補”為原則。

　　(1)“以地質分析為核心”是指以地面和掌子面地質調查為主要手段，并將地質分析作為超前預報的核心，貫穿于整個預報工作的始終。

　　(2)“運用物探與鉆探相結合”是指在開展TSP、地質雷達、紅外探測法、瞬變電磁法等綜合物探工作的同時，必須將物探解譯與鉆探緊密結合。

　　(3)“地面與地下相結合”是指洞內、洞外預報相結合，并以洞內預報為主，如地面地質調查是洞外預報，掌子面素描、超前鉆探和各種物探方法是洞內預報。

　　(4)“長距離與短距離相結合”是指在長距離預報的指導下，進行短距離精確預報，如地面地質調查和TSP是長距離預報，掌子面素描、地質雷達、超前鉆探等是短距離預報。

　　(5)“物性參數互補”是指選取的物探預報方法其預報物性參數應相互補充配合。TSP、地質雷達、瞬變電磁法、BEAM、紅外探測法等物探方法不一定同時同等使用，應在地質分析的基礎上，考慮“長短預測結合”等綜合預報原則和物探方法適宜性，選取適宜的一種或幾種物探方法進行預報。如對于探測斷層，宜選用TSP+GPR或TSP+BEAM組合;對于探測富水情況，宜選用TSP+紅外探測或TSP+瞬變電磁法組合。

　　3.2綜合預報流程圖

　　隧道施工超前地質綜合預報的工作流程如圖3所示。

　　圖3隧道施工超前綜合預報工作流程圖

　　4結論

　　(1)總結了隧道施工中常用的超前地質預報的方法，如體質分析法、超前鉆探法、物探法和超前導坑法，分析了各種方法的優缺點及其對各種不良地質情況的響應和適宜性，為選擇適宜的預報方法提供依據。

　　(2)隧道施工超前地質綜合預報應以“地質分析為核心，運用物探與鉆探相結合、長距離與短距離相結合、地面與地下相結合、物性參數互補”為原則。

　　參考文獻：

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