隧道施工超前地質(zhì)預報技術(shù)研究★

董君 陳海鵬 唐鷺

(中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川成都 610041)

1 超前地質(zhì)預報技術(shù)的必要性

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和隧道工程技術(shù)的日益進步，目前，隧道越建越長，在復雜地質(zhì)條件下修建的隧道越來越多，隧道施工中遇到的問題也愈加復雜，由此而來的隧道洞內(nèi)塌方、涌水、涌泥、涌砂、巖爆、瓦斯爆炸等災害時有發(fā)生。為保證隧道施工的安全和高效，超前地質(zhì)預報技術(shù)的應用至關(guān)重要。超前地質(zhì)預報具有非常重要的意義，通過超前預報技術(shù)掌握掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀、圍巖結(jié)構(gòu)的完整性及含水的可能性，為正確的選擇開挖斷面、支護設計參數(shù)和優(yōu)化施工方案等提供依據(jù)，并且為塌方、涌水、突泥、突氣等事故的發(fā)生做好預報;因此該技術(shù)保證了隧道施工的安全科學性，提高了工作效率、節(jié)省了投資。

2 隧道超前地質(zhì)預報的主要方法

目前，隧道超前地質(zhì)預報可采用地質(zhì)素描、超前鉆探法、物探法。隧道施工過程中這些方法應綜合運用，相互補充。表1為隧道超前地質(zhì)預報的方法。

表1 隧道超前地質(zhì)預報的方法

2.1 地質(zhì)素描

地質(zhì)素描是地質(zhì)超前預報采用的一種基本方法，在隧道設計的各個階段均要采用此方法。隧道施工過程中主要根據(jù)掌子面地質(zhì)條件，如地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其發(fā)育情況、巖體破碎程度、巖體變質(zhì)程度的變化特征、地下水出露點位置及出水狀態(tài)等，結(jié)合已有勘探資料進行隧道開挖掌子面前方的地質(zhì)條件預測。該方法操作簡單、適用性強、不影響隧道施工，而且成本低，但需要較高水平的專業(yè)人員完成。

2.2 超前地質(zhì)鉆探

2.2.1 預報原理

超前地質(zhì)鉆探是利用鉆機在隧道開挖工作面進行鉆探獲取地質(zhì)信息的一種方法，它主要采用沖擊鉆和回轉(zhuǎn)取芯鉆，二者應合理搭配使用［1］。

2.2.2 鉆孔技術(shù)要求

1)鉆孔位置:在掌子面布置3個～5個鉆孔;2)孔深:不同地段不同目的的鉆孔應采用不同的鉆孔深度，一般每循環(huán)可鉆長度是30 m～50 m，必要時也可鉆100 m以上的深孔，每循環(huán)搭接長度為5 m［1］;3)孔徑:鉆孔直徑應滿足鉆探取芯、取樣和孔內(nèi)測試的要求，一般情況下均采用76 mm;4)超前鉆探過程中應在現(xiàn)場做好記錄，包括鉆孔位置、開孔時間、終孔時間、涌水位置、涌水流量、巖芯破碎程度、卡鉆現(xiàn)象等情況。

2.2.3 應用領(lǐng)域及特點分析

超前地質(zhì)鉆探適用于各種地質(zhì)條件，在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發(fā)育區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)、重大物探異常區(qū)等地質(zhì)條件復雜地段必須采用［1］。

超前地質(zhì)鉆探是最直觀、可靠的超前預報手段，通過鉆孔鉆進速度測試、巖芯采取率統(tǒng)計、鉆孔巖芯的鑒定和巖芯強度試驗來確定前方巖層的分布、巖體的強度、巖體的完整程度以及是否存在不良地質(zhì)體等;該方法雖直觀，但具有“一孔之見”的不足，對溶洞存在漏報的可能，并且操作時間較長，費用也較高。

2.3 加深炮孔探測

加深炮孔探測是利用風鉆機或鑿巖臺車等在隧道開挖工作面鉆小孔徑深淺孔獲取地質(zhì)信息的一種方法。適用于巖溶發(fā)育區(qū)的超前地質(zhì)預報。其技術(shù)要求如下:1)孔深:孔深應比爆破孔深3 m以上;2)孔徑:孔徑大小與爆破孔相當;3)孔數(shù)、孔位根據(jù)開挖面大小和地質(zhì)復雜程度確定;4)鉆到溶洞和巖溶水時應換用地質(zhì)鉆探或其他方法進行預報［1］。

加深炮孔探測的特點:1)它是超前鉆探的一種補充，在巖溶發(fā)育區(qū)大大提高揭示溶洞的幾率，效果非常好;2)與超前地質(zhì)鉆探相比，具有設備簡單、操作方便、成本低、對隧道施工影響較小，可利用爆破孔操作;3)孔淺，且不能取巖芯。

2.4 TSP203超前地質(zhì)預報系統(tǒng)

TSP203(Tunnel Seismic Prediction)是一種新穎、快速、無損的地震反射技術(shù)，是目前國內(nèi)外在地質(zhì)預報領(lǐng)域最先進的科技成果，它可以十分有效地為工程人員制定相應施工方案、采取應對措施，它是為隧道超前地質(zhì)預報專門設計的，能迅速地提供在開挖周圍及前方的三維空間的地質(zhì)預報。

2.4.1 預報原理

TSP203法采用了地震波反射原理。通常在隧道內(nèi)一側(cè)邊墻處將24個炮點按一定間距布置成一條直線，用少量炸藥激發(fā)出的地震波遇到巖石界面、節(jié)理帶，特別是斷層破碎帶、溶洞、大的節(jié)理面等不良地質(zhì)界面時，一部分地震波被反射回來，一部分地震信號透射進入前方介質(zhì)。反射的地震信號被高靈敏度的三分量加速度地震檢波器接收(地震數(shù)據(jù)接收)。反射信號的傳播時間和反射界面的距離成正比，故而能知道反射體的存在和位置。通過反射信號的傳播速度、波形、強度、相位差等相關(guān)數(shù)據(jù)能了解不良地質(zhì)體的性質(zhì)和分布情況，工程技術(shù)人員結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料進行處理可以預知前方及周圍地質(zhì)變化狀況。TSP203超前預報示意圖如圖1所示。

圖1 TSP203超前預報示意圖

2.4.2 應用領(lǐng)域及特點分析

TSP203法可以預報掌子面前方的斷層破碎帶、巖溶及其填充物等不良地質(zhì)體的性質(zhì)、規(guī)模和位置，預報富含水地質(zhì)體和老崆等采空區(qū)的規(guī)模和位置，還可以預報各種不良地質(zhì)發(fā)生突水、突泥、塌方等施工地質(zhì)災害概率。TSP203法預報距離為100 m～150 m，在巖體完整的硬質(zhì)巖層可以預報120 m～180 m［1］。它的一切工作都在掌子面后進行，對隧道施工影響較小，它可以獲得地層變化的平面和三維圖像，代表性強、可靠度高。與其他手段相比，TSP203的預報距離為地質(zhì)雷達的4倍多，預報精度為淺層地震儀的5倍，且費用低，因此最適合長距離的超前地質(zhì)預報。

2.5 地質(zhì)雷達法

2.5.1 預報原理

地質(zhì)雷達法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁波技術(shù)。通過特定儀器向地下發(fā)送脈沖形式的高頻、甚高頻電磁波。電磁波在介質(zhì)中傳播，當遇到存在電性差異的地下目標體，如空洞、分界面等時，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面時由接收天線所接收。在對接收天線接收到的雷達波進行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)接收到的雷達波形、強度、雙程時間等參數(shù)便可推斷地下目標體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達到對地下隱蔽目標物的探測。這是一種非破壞性的探測技術(shù)，可以安全地用于城市建設中的工程場地，并具有較高的探測精度和分辨率［2］。

工作原理如圖2，圖3所示［2］。圖2中T為發(fā)射天線，R為接收天線，電磁波在地下介質(zhì)中遇到目標體和基巖時發(fā)生反射，信號返回地面由天線R接收并記錄，通過主機的回放處理，就可以得到雷達記錄的回波曲線如圖3所示，圖3中橫軸代表地面坐標探測的距離，t為目標層雷達波的反射時間。

圖2 地質(zhì)雷達工作原理示意圖

2.5.2 應用領(lǐng)域及特點分析

地質(zhì)雷達法目前主要用于巖溶、含水帶探測，也可用于斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻地質(zhì)體探測。針對地下富水帶、巖溶等不良地質(zhì)時，應結(jié)合TSP203預報系統(tǒng)使用。

地質(zhì)雷達在完整灰?guī)r地段預報距離宜在30 m以內(nèi)，在巖溶發(fā)育地段的有效探測長度則應根據(jù)雷達波形判定，連續(xù)預報時前后兩次重疊長度應在5 m以上。它是目前分辨率最高的物探法，但是由于預報距離短，且易受洞內(nèi)機器、管線的干擾。

圖3 地質(zhì)雷達記錄的回波曲線示意圖

2.6 紅外探測

2.6.1 探測原理

紅外輻射是由于分子振動形成的，構(gòu)成地質(zhì)體的分子和時刻都在不停的振動，它產(chǎn)生的能量不間斷的由內(nèi)向外傳播，從而構(gòu)成紅外輻射場。紅外輻射場有能量、動量、方向和信息。地質(zhì)體向外發(fā)射紅外輻射時，將地質(zhì)體內(nèi)的信息傳遞出來。當隧道前方圍巖較為均勻時，探測到的輻射場曲線具有正常特征;當隧道斷面前方或外圍介質(zhì)存在災害源時，災害源產(chǎn)生的災害場就一定會迭加到正常場上，從而使正常場中發(fā)生畸變，畸變段稱作紅外異常。

2.6.2 應用領(lǐng)域及特點分析

紅外探測采用HY-303防爆紅外線探測儀，儀器小巧輕便，操作簡單，可實現(xiàn)全空間全方位探測，可探測前方30 m范圍內(nèi)是否存在含水構(gòu)造、斷層、溶洞等。不占用施工時間，資料分析快速、簡介、直觀，但是它對水量水壓等重要參數(shù)無法預測，對于水量、水壓大小及具體位置則不能探明，其有效探測距離只有30 m。紅外探水儀示意圖如圖4所示。

圖4 紅外探水儀示意圖

2.7 超前地質(zhì)預報在實際工程中的應用

西氣東輸二線管道工程西段隧道群施工過程中實施了多次TSP203超前地質(zhì)預報法和超前地質(zhì)鉆探法，效果很好;西段隧道已于2008年9月全部竣工，比計劃提前了2個月。超前地質(zhì)預報使用后節(jié)約了施工時間、節(jié)省了投資，保證了隧道施工的安全。

3 結(jié)語

隧道超前地質(zhì)預報，減少了隧道施工過程中的不確定性因素，減少了重大的地質(zhì)災害發(fā)生的可能性，根據(jù)預報結(jié)果，及時調(diào)整或優(yōu)化設計以及施工方案，使隧道建設成為安全、經(jīng)濟、科學的優(yōu)質(zhì)工程。近年來超前地質(zhì)預報技術(shù)不斷發(fā)展進步，在工程中應用也越來越廣泛，通過多種手段、多種方法的相互補充、相互驗證，使得預報準確度更高。目前，隨著理論研究的更加深入，它已經(jīng)發(fā)展成為一門重要的學科。

［1］ 鐵建設［2008］105號，鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)指南［S］.

［2］ 常 錚.地質(zhì)雷達的工作原理及應用［J］.山西建筑，2007，33(21)：126-127.