不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確超前預(yù)報(bào)技術(shù)評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)方法研究

鄭 鈉

(廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司)

1 引言

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作一直是地下工程實(shí)施過(guò)程中必須要做的和必不可少的工作。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的實(shí)質(zhì)是地下工程實(shí)施過(guò)程中的補(bǔ)充地質(zhì)勘探。地質(zhì)預(yù)報(bào)手段和方法包括地質(zhì)觀測(cè)—計(jì)算—繪圖—分析—判斷法(包括地質(zhì)力學(xué)法)、地球物理法、鉆探法，以及由此所組成的綜合分析推斷法。

廣悟高速公路鵝公髻隧道穿過(guò)鵝公髻丘陵，為雙洞四車道，左、右線隧道分離布設(shè)，廣州端和蒼梧端洞口均有一段小凈距，其余為正常間距。左線隧道里程LK90+619．24～LK93+749．9，長(zhǎng) 3130．66m;右線隧道里程 RK90+628．26～RK93+741．38，長(zhǎng)3113．12m，設(shè)計(jì)隧道底標(biāo)高 226．76 ～257．2m，隧道埋深最大約290m。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合本項(xiàng)目具體情況，開(kāi)展了以下三個(gè)方面的研究工作：典型超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段的適應(yīng)性研究;不良地質(zhì)的準(zhǔn)確超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組合技術(shù)研究;不良地質(zhì)災(zāi)害體的評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)方法研究。

2 典型超前預(yù)報(bào)手段的適應(yīng)性研究

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法包括：無(wú)損傷的(地質(zhì)的、地球物理的)、有損傷的(鉆探)，上述方法的綜合使用即為綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。廣義的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是綜合方法的運(yùn)用，包括地質(zhì)分析、地球物理探測(cè)法、鉆探;而通常所謂超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是指僅應(yīng)用地球物理法進(jìn)行的狹義日常超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，偶爾輔以超前鉆孔作為控制風(fēng)險(xiǎn)的最終手段。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的任務(wù)，一是預(yù)報(bào)不良地質(zhì)，二是劃分和認(rèn)證圍巖級(jí)別，減少突發(fā)性和不可遇見(jiàn)性。

怎樣提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)合理性，預(yù)報(bào)手段的選取以及多種預(yù)報(bào)手段的組合是關(guān)鍵。而預(yù)報(bào)手段的選取關(guān)鍵是看各種儀器對(duì)不同不良地質(zhì)體的適應(yīng)性如何，因此預(yù)報(bào)手段的適應(yīng)性研究就顯得尤為關(guān)鍵。

2．1 本項(xiàng)目超前地質(zhì)預(yù)報(bào)組合技術(shù)研究

根據(jù)前面的適應(yīng)性研究可知，采用地震波法與地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合，可解決施工過(guò)程中的相應(yīng)地質(zhì)問(wèn)題，如圍巖風(fēng)化破碎帶、斷層破碎帶、圍巖局部富水區(qū)域、石灰?guī)r巖溶發(fā)育情況等。電磁波法(地質(zhì)雷達(dá))與彈性波法(TSP)二者結(jié)合，其優(yōu)點(diǎn)是可得到兩種不同類型的波的參數(shù)和特征圖像資料，在有可能出現(xiàn)不良地質(zhì)情況時(shí)應(yīng)進(jìn)行臨近監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，并使用超前鉆探作為控制風(fēng)險(xiǎn)的最終手段。

2．2 典型不良地質(zhì)災(zāi)害體的評(píng)價(jià)方法研究

即典型超前預(yù)報(bào)手段對(duì)不良地質(zhì)的目標(biāo)識(shí)別研究，評(píng)價(jià)方法研究，包括典型巖溶、富水、斷層破碎帶的地質(zhì)雷達(dá)、電法、TSP信息特征以及圍巖級(jí)別的判定。

(1)圍巖級(jí)別和不良地質(zhì)的判定依據(jù)

①地質(zhì)勘探按照從未知到已知，由粗到細(xì)的原則，即在任何地質(zhì)情況不明的情況下，首先通過(guò)地面地質(zhì)調(diào)查和觀測(cè)進(jìn)行地面地質(zhì)填圖，通過(guò)巖礦鑒定、同位素測(cè)定、地層層續(xù)對(duì)比、地質(zhì)構(gòu)造判斷，從而基本確定某地區(qū)的地層巖性及地質(zhì)組合、地質(zhì)時(shí)代、較大地質(zhì)構(gòu)造(折曲、斷層、各大類巖石的粗略分布)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)生產(chǎn)需要可進(jìn)一步開(kāi)展詳查或精查勘探。使用物探方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行解譯則應(yīng)遵循由已知到未知的原則，即首先熟悉隧道區(qū)基本地質(zhì)情況，逐漸找到典型的地質(zhì)體所對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)及組合特征，以便對(duì)未知區(qū)進(jìn)行回波信號(hào)的地質(zhì)解釋。

②TSP探測(cè)的主要判定依據(jù)是通過(guò)使用儀器進(jìn)行處理、計(jì)算所得到的縱波速度Vp或縱橫波速比、密度、泊松比等：

a反射振幅越高，反射系數(shù)和波阻抗的差別越大。

b正反射振幅表明正的反射系數(shù)，即剛性地層;負(fù)反射振幅則指向軟弱巖層。

c若S波反射比P波強(qiáng)，則表明巖層包含水。

dVp/Vs較大的增加或泊松比突然增大，常常因流體的存在而引起。

e若Vp下降，則表明裂隙密度或空隙度增加。

③地質(zhì)雷達(dá)的主要判定依據(jù)主要是雷達(dá)回波的組合特征和信號(hào)衰減變化。一定的目標(biāo)體對(duì)應(yīng)著一定的回波特征，當(dāng)遇到水或軟弱破碎帶時(shí)信號(hào)應(yīng)有明顯衰減。當(dāng)然，儀器對(duì)多大的地質(zhì)異常有所反映，則應(yīng)取決于異常的大小、構(gòu)成異常的介質(zhì)差異大小、儀器的探測(cè)深度。探測(cè)深度越大，分辨率越低，反之亦然。地下水對(duì)地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)有顯著衰減影響，因此根據(jù)雷達(dá)信號(hào)的衰減相對(duì)大小，可定性判斷圍巖的含水的相對(duì)大小，同時(shí)可分析判定圍巖強(qiáng)風(fēng)化破碎帶或斷層破碎帶等不良地質(zhì)。

④瞬變電磁

由于瞬變場(chǎng)的強(qiáng)度及延遲時(shí)間與地下地質(zhì)目標(biāo)體的電性、規(guī)模及產(chǎn)狀等參數(shù)有關(guān)，地質(zhì)體的導(dǎo)電性越好，瞬變場(chǎng)的強(qiáng)度就越大，且熱損耗就越小，故衰減越慢，延遲時(shí)間越長(zhǎng)的特點(diǎn)。因此，充水或充泥溶洞、含水層、含水裂隙帶、軟弱泥巖或泥巖、強(qiáng)—全風(fēng)化帶等應(yīng)對(duì)應(yīng)高感應(yīng)電壓，完整的花崗巖、石灰?guī)r、砂巖、空的干溶洞等應(yīng)對(duì)應(yīng)低感應(yīng)電壓。

(2)典型不良地質(zhì)體的評(píng)價(jià)方法研究

①充水或充泥溶洞。

aTSP對(duì)較大溶洞的反映。

充水或充泥溶洞對(duì)應(yīng)部位的縱波速度、泊松比、密度、楊氏靜態(tài)模量等參數(shù)首先變高，然后變低，這一點(diǎn)與地質(zhì)雷達(dá)相似(見(jiàn)后述)，也與理論符合，并在解釋圖上有明顯異常反映。但所反映出的溶洞縱向范圍較大(15m左右)，由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)和分辨率較低的原因TSP不能直觀地分辨出溶蝕孔洞、溶蝕裂隙等這些類似的尺寸較小的反射目標(biāo)。

b地質(zhì)雷達(dá)對(duì)溶洞的反映。

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)溶蝕孔洞或溶蝕裂隙、溶槽或溶縫、溶洞或地下暗河所反映出的圖像特征是不同的。另外，對(duì)干的空溶洞與充水、充泥的溶洞的反映也是截然不同的，充水、充泥的溶洞的雷達(dá)回波信號(hào)是顯著衰減的。③瞬變電磁對(duì)溶洞的反映

故充水或充泥溶洞應(yīng)對(duì)應(yīng)高感電壓，空的干溶洞應(yīng)對(duì)應(yīng)低感應(yīng)電壓。

②空洞或未充填溶洞。

aTSP的反映。

空洞或未充填溶洞中的物質(zhì)為空氣或真空，在TSP的2D成果及有關(guān)力學(xué)參數(shù)反演曲線上對(duì)應(yīng)的縱波速度、泊松比、密度、楊氏靜態(tài)模量等參數(shù)相對(duì)變低。

b地質(zhì)雷達(dá)的反映。

溶洞和空洞有著相同似的雷達(dá)回波特征：襯砌背后的空洞在灰度波形圖上表現(xiàn)為一組弧形強(qiáng)反射波，這組強(qiáng)反射的后面往往還緊跟著一組幅度較低的強(qiáng)反射波(多次反射)。較小的空洞弧形表現(xiàn)明顯，較大的空洞往往呈現(xiàn)出波浪形的強(qiáng)反射或呈亮白色。計(jì)算空洞的起止深度時(shí)，小的空洞可采用圍巖的電磁波速度或相對(duì)介電常數(shù)，大的空洞要采用空氣的速度。判別空洞是要注意排除因天線抖動(dòng)或脫離襯砌表面所造成的假空洞(可以剔除)。

③斷層破碎帶。

aTSP對(duì)斷層破碎帶的反映。

斷層破碎帶所對(duì)應(yīng)的部位的縱波速度、密度、楊氏靜態(tài)模量等參數(shù)首先變高，然后變低，其實(shí)際位置對(duì)應(yīng)于變低部位，泊松比整體變高。這與理論基本相符。如果斷層是發(fā)育石灰?guī)r中，則極有可能發(fā)育成為溶洞。

b地質(zhì)雷達(dá)對(duì)斷層破碎帶的反映。

因斷層破碎帶的破碎程度、風(fēng)化程度、糜棱巖化、硅化或鈣化程度不同，其雷達(dá)圖像特征也有顯著差異。例如，破碎風(fēng)化較強(qiáng)則雷達(dá)信號(hào)衰減強(qiáng)，反之亦然;糜棱巖硅化或鈣化后衰減很弱。另外波形組合特征也不同。

④強(qiáng)風(fēng)化破碎帶。

aTSP對(duì)強(qiáng)風(fēng)化破碎帶的反映。

縱波速度低(顯著低于3000m/s)，密度低。

b地質(zhì)雷達(dá)對(duì)強(qiáng)風(fēng)化破碎帶的反映。

所接收到的雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)烈衰減。

⑤圍巖裂隙水。

aTSP對(duì)圍巖裂隙水的反映。

由于裂隙發(fā)育是不均一的，在隧道縱向上往往呈條帶狀局部分布，隧道開(kāi)挖后呈涌水狀、淋水狀或滴水狀。根據(jù)TSP原理和解釋準(zhǔn)則，表現(xiàn)為縱橫波速度比或泊松比的明顯交替變化。圍巖含水時(shí)TSP所提取的泊松比會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

b地質(zhì)雷達(dá)對(duì)圍巖裂隙水的反映。所接收到的雷達(dá)回波信號(hào)顯著衰減。(3)圍巖級(jí)別劃分預(yù)報(bào)①圍巖級(jí)別預(yù)報(bào)方法

a根據(jù)不同巖性的圍巖的縱波速度所對(duì)應(yīng)的圍巖級(jí)別范圍推斷圍巖級(jí)別，即相同級(jí)別的圍巖，其不同巖性所對(duì)應(yīng)的縱波速度是不同的，縱波速度可通過(guò)隧道開(kāi)挖過(guò)程中全程覆蓋式TSP(隧道地震探測(cè)儀)超前探測(cè)獲取。

b通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)，根據(jù)其反射回波幅度的衰減程度、波形組合特征及掌子面觀測(cè)描述等綜合劃分圍巖級(jí)別。

cTSP和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)預(yù)報(bào)圍巖級(jí)別，可單獨(dú)使用，也可綜合使用，相互印證。

②圍巖級(jí)別劃分預(yù)報(bào)指標(biāo)和要素。

圍巖級(jí)別的劃分預(yù)報(bào)應(yīng)按以下指標(biāo)或要素進(jìn)行。

a根據(jù)現(xiàn)行《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTJ064-98)，圍巖級(jí)別按彈性波速度(縱波速度)進(jìn)行劃分。

b一般情況下，未風(fēng)化的巖石，砂巖縱波速度較低，如泥質(zhì)或鈣泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖一般為3000～3500m/s，硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖、變質(zhì)砂巖、石英砂巖等可達(dá)5000m/s以上，而花崗巖、花崗片麻巖、石英巖(變質(zhì)巖)、石灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r等的縱波速度可達(dá)5000m/s以上，甚至高達(dá)6000m/s以上。

c對(duì)于相同級(jí)別的圍巖，由于不同巖性的圍巖彈性波(縱波)速度差異較大，所以圍巖級(jí)別的劃分不僅要依據(jù)縱波速度，還要依據(jù)圍巖巖性及其它因素。另外，雖然應(yīng)用TSP探測(cè)獲取的圍巖縱波速度值對(duì)隧道掌子面前方的圍巖情況有一個(gè)整體的反映，但實(shí)際圍巖的地質(zhì)情況的復(fù)雜性和由于受所使用的探測(cè)儀器的頻率(分辨率)和所能達(dá)到的其它技術(shù)性能以及現(xiàn)場(chǎng)工作條件、所能達(dá)到的工作密度等影響，圍巖彈性縱波速度尚不能夠完全反映出掌子面前方圍巖地質(zhì)情況的全部細(xì)節(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，以前期的地質(zhì)工作為基礎(chǔ)，是一項(xiàng)地下、地面補(bǔ)充地質(zhì)勘探和超前探測(cè)的全方位、立體交叉的實(shí)用性極高的綜合地質(zhì)工作。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是一項(xiàng)頗具風(fēng)險(xiǎn)性的工作，千萬(wàn)不能掉以輕心，只有不斷總結(jié)，積累經(jīng)驗(yàn)，汲取教訓(xùn)，從工作和技術(shù)方法上不斷創(chuàng)新，才能取得高的準(zhǔn)確率，降低風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)施工起到幫助和指導(dǎo)作用。

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［1］李大心．探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］．北京：地質(zhì)出版社，1994．

［2］朱勁，李天斌等．Beam超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在銅鑼山隧道中的應(yīng)用［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007，15(2)：258-262．

［3］靳曉光，汪立新等．多波多分量地震探測(cè)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［D］．2008年全國(guó)隧道監(jiān)控量測(cè)與反分析專題研討會(huì)論文集，2008．278-283．