隧道施工超前地質預報探析

張春玲　張　晶　王　亮

摘要:本文介紹了隧道施工超前地質預報的目的、內容及方法,探析了各種地質超前預報方法的機理及特點,分析了隧道施工超前地質預報的發展方向,以其為工程研究與應用提供借鑒。

關鍵詞:隧道;超前地質預報;目的;內容;方法

引言。在隧道施工中,地質災害(涌水、塌方、巖爆等)的發生嚴重影響工程進度,增加工程造價,導致工程事故時有發生,因此在隧道施工中進行準確快速的超前地質預報是十分必要的。采用超前地質預報,結合常規圍巖變形監測等多種手段,對隧道的圍巖實現掘進面附近時空變形的預測和預報分析,并對隧道的襯砌狀態進行評價,為施工設計提供指導性依據和現場監控手段,能夠達到安全施工和優化設計目的。開挖前對地質情況的了解,對于隧洞建設有著十分重要的作用,在工程實施中,超前地質預報廣泛用于長、大隧道及重點工程的施工。

1隧道超前地質預報的目的

超前地質預報的目的就是要通過超前預報措施,及時發現異常情況,查明掌子面前方不良地質體的位置、產狀及其圍巖結構的完整性與含水特性,為正確選擇開挖斷面、支護設計參數和優化施工方案提供依據,預防隧道施工中可能形成的災害性事故,保證施工安全,提高施工效率,縮短施工工期,節約投資等。

2隧道超前地質預報的內容

2.1圍巖類別預報

預報掌子面前方的圍巖類別,軟弱圍巖及不同類別圍巖的界面,判斷前方圍巖的穩定性,與設計文件進行比較,隨時為修改設計、調整支護類型參數、確定二次襯砌時間提供可靠的數據。

2.2水文地質預報

預報洞內涌水量的大小,涌水壓力及其變化規律,評價其對環境地質、水文地質的影響。

2.3不良地質體預報

預報掌子面前方一定范圍內有無突水、突泥、巖爆,查明其范圍、規模、性質,提出有效的施工措施或建議;預報斷層破碎帶或軟弱夾層的位置、寬度、產狀、性質和填充物的狀態,判定其穩定性,提出科學合理的施工方案。

2.4隧道附近地質異常體預報

隧道施工中有些未被揭露或小部分揭露出的地質異常體有可能影響后期的隧道施工安全及今后的運營安全,所以有必要探明隧道附近未被揭露的隱伏地質異常體的性質和分布情況,評估其對隧道結構后期的危害程度,做出是否處理及如何處理的方案,實現隧道結構耐久性和安全運營的目標。

2.5有害氣體預報

探明煤層、瓦斯、天然氣、硫化氫賦存條件及采空區狀況,預測隧洞內有害氣體成分、含量及動態變化情況。

3隧道施工超前地質預報技術

超前地質預報的方法很多,根據實施方法可分為常規地質法和工程物理探測法。物探法是目前應用較為廣泛的方法,常規地質預報經常是在物探法懷疑前方有不良地質體時采用。

3.1常規地質法

3.1.1水平超前鉆孔

用鉆探設備向掌子面前方鉆探,直接揭示隧道掌子面前方幾十米地層的巖性、巖體結構、構造、地下水、巖溶洞穴充填物及其性質、巖體完整程度等資料,比較直觀,還可通過巖芯試驗獲得巖石強度等定量指標,適用于已經基本認定的主要不良地質區段。但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,與隧道軸線平行的結構面以及鉆孔與鉆孔之間的地質情況也反映不出來。

3.1.2超前導坑

超前導坑法可分為超前平行導坑和超前正洞導坑。平行導坑的布置平行于正洞,斷面小而且與正洞之間有一定的距離,在施工過程中通過對導坑中遇到的構造、結構面或地下水等情況繪制地質素描圖,對正洞的地質條件進行預報。

超前平行導坑法最為直觀,精確度高,預報距離長,施工單位可提前了解隧道開挖斷面的地質情況,安排施工計劃和調整施工方案;超前正洞導坑布置在正洞中,其作用與平行導坑相比,效果更好。采用超前導坑的缺點是成本高,影響施工進度。

3.1.3地質素描

地質素描是利用所見已開挖段的地質情況,預報前方可能出現的不良地質條件。素描的主要內容包括地層巖性、構造發育情況、地下水狀態、圍巖穩定性及初期支護方法等。地質素描法預報不占用施工時間,設備簡單,不干擾施工,出結果快,預報的效果好,而且為整個隧道提供了完整的地質資料。但地質素描對與隧道夾角較大而又向前傾的結構面容易產生漏報,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。

3.2工程物探法

3.2.1紅外探測

地下水的活動會引起巖體紅外輻射場強的變化,當隧道掌子面前方及周邊介質單一時,所測得的紅外場為正常場;當前方存在隱伏含水構造或有水時,所產生的場強會疊加到正常場上,從而使正常場產生畸變。據此可判斷掌子面前方一定范圍內是否有隱伏的含水體。該方法測量快速,施工干擾小,有較高的定性判別準確率,但無法預報水量和含水體前方具體位置等定量指標。

3.2.2聲波探測

聲波對裂隙反應很敏感,聲波探測利用聲波遇到裂隙即發生介面效應(反射、折射和繞射),耗損波能,使波形變得復雜,波速減緩的特性,通過探測反射信號,求得其傳播特征后,即可了解工作面前方的巖體特征。用于探測劃分隧道圍巖級別,劃分地層界線,探測隱伏斷層、破碎帶,探測巖溶、地下洞穴,測定含水層分布,查找地質構造,探測不良地質體的厚度和范圍等。

3.2.3電磁波法

電磁波法是利用電磁波在不同介質中產生透射、反射的特性來進行地質預報工作的,目前常用的方法有地質雷達法(GPR)。地質雷達法通常是一種地下甚高頻至超高頻段電磁波反射探測法,該方法主要是配合地震反射法(負視速度法),通過測定與巖溶含水性有關介電常數的變化來探測充水地質體,探測距離一般小于30m,在潮濕含水層中小于10m,廣泛用于探測隱伏斷層、破碎帶;探測地下巖溶、洞穴;探測地層劃分、巖性界面等。試驗表明,采用地質雷達對隧底、邊墻、隧頂外圍巖的不良地質探測效果最好,結合超前平導應用可對正洞起到超前預報的作用。

3.2.4地震波法

常用的地震波法包括隧道地震超前預報系統(TSP)、負視速度法(TVSP)和水平聲波剖面法(HSP)等。TSP法是我國20世紀90年代從瑞士安伯格(AMBERG)測量技術公司引進的一套先進的地質超前預報探測系統,也是我國目前應用較為廣泛的一種方法。TSP法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波設計的震源點(通常在隧道的左墻或右墻處,大約24個炮點)常由小量炸藥激發產生。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時,一部分地震信號反射回來,另一部分信號透射進入前方介質,反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。通過對接收信號的運動學和動力學特征進行分析,便可推斷斷層、巖石破碎等不良地質體的位置、規模、產狀及巖土力學參數。通常地質條件下,TSP203超前地質預報系統可以預報150m～250m的距離,在地質條件較好時,可以預報更長的距離。

4隧道超前地質預報展望

盡管隧洞施工超前預報已引起國內外隧洞工程界的重視,也做了許多卓有成效的工作,但到目前為止還沒有一套系統的普遍適用的方法,國內外隧洞工程的重大地質災害仍時有發生。因此,準確預報開挖前方的地質條件是隧洞建設者們的迫切要求。加強隧道超前地質預報理論研究,加強探測新技術、新方法的研究和先進儀器的研制與開發,同時建立不良地質界面的特征識別模式和不良地質體的判定指標,以及巖體類別劃分的定量化指標,充分利用常規地質預報和不同物探設備各自的特點,相互配合驗證,實施綜合超前地質預報等方面是隧道超前地質預報工作亟待進一步發展和解決的問題。

5結語

地質超前預報在隧道施工中具有重要的指導意義,它在很大程度上消除了施工的盲目性,確保了施工的安全進行。隧洞施工超前預報是一項復雜而艱難的任務,需在工程實踐中不斷創新、優化、總結、完善和提高,隧洞施工超前預報工作任重而道遠。

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確

作者簡介:張春玲(1970-),女,助工,研究方向:地質工程。

張晶(1983-),女,學士,助工,研究方向:巖土工程。

王亮(1980-),男,工學碩士,講師,研究方向:地下與隧道工程,建筑工程。