隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

朱 飛 劉國(guó)正 彭紅明

(青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧 810007)

隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

朱 飛 劉國(guó)正 彭紅明

(青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧 810007)

通過(guò)了解國(guó)內(nèi)外隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)目前幾種常用的超前預(yù)報(bào)方法的分析，總結(jié)出幾種常用的隧道超前預(yù)報(bào)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，探索了計(jì)算機(jī)技術(shù)在隧道超前預(yù)報(bào)發(fā)展中的應(yīng)用。

隧道工程，超前預(yù)報(bào)，TSP法，地質(zhì)雷達(dá)，紅外探水

0 引言

自實(shí)施改革開放國(guó)策以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國(guó)家加大了基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。目前，國(guó)家每年投資成百上千萬(wàn)修建高等級(jí)公路、鐵路，在山嶺重丘地區(qū)修建高等級(jí)公路、鐵路，為了縮短里程，改善路線及減少植被破壞，則需要對(duì)山體進(jìn)行開挖以便修建隧道。為了防止由此而引起的相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害，滿足隧道施工進(jìn)度對(duì)掘進(jìn)前方地質(zhì)情況的了解要求，迫切地需要先進(jìn)的探測(cè)手段和優(yōu)良的探測(cè)技術(shù)，及時(shí)快速地進(jìn)行超前探測(cè)與預(yù)報(bào)，因此，隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作就變得非常重要。

1 對(duì)于目前國(guó)內(nèi)外隧道超前預(yù)報(bào)工作的研究情況

20世紀(jì)80年代，對(duì)掌子面附近地質(zhì)條件的詳細(xì)研究在前西德取得一定成果，而澳大利亞則預(yù)報(bào)隧道施工前方的地層狀況，法國(guó)主要研究在什么樣的探測(cè)方法下加快隧道的掘進(jìn)速度問(wèn)題。日本主要研究開挖前方地質(zhì)預(yù)報(bào)，20世紀(jì)90年代初，瑞士Amberg測(cè)量技術(shù)有限公司開發(fā)研制了TSP隧道地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)測(cè)即將開挖隧道施工前方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其圍巖地質(zhì)狀況，同時(shí)也可對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)研究調(diào)查，我國(guó)在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)領(lǐng)域的研究最早始于20世紀(jì)50年代末的煤礦生產(chǎn)中，谷德振等教授最開始的研究是以分析礦巷開挖的施工進(jìn)度對(duì)礦巷掌子面前方將遇到不良地質(zhì)災(zāi)害體等引起的可能塌方事件，從70年代開始，我國(guó)全面開始了隧道施工期間的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究和應(yīng)用工作。20世紀(jì)70年代初，我國(guó)開始進(jìn)行探地雷達(dá)研制工作，1987年我國(guó)從德國(guó)引進(jìn)槽波地震勘探技術(shù)，1988年緊接著從日本引進(jìn)了瑞雷波法，終于在1991年成功的研制出瞬態(tài)震源MRD-I型瑞雷波探測(cè)儀。鐘世航1992年提出的陸地聲納法(也叫高頻地震反射法)其實(shí)質(zhì)是垂直地震波反射法。最近這些年，以TSP為主的工程技術(shù)也引起了中國(guó)工程技術(shù)人員的重視和認(rèn)同，在1996年，我國(guó)的鐵道部隧道工程局第一次引進(jìn)了TSP202儀器，隨后，為了解決隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和隧道地質(zhì)監(jiān)測(cè)這兩個(gè)方向的工作需要，北京市水電物探研究所，通過(guò)多年的努力研發(fā)，終于開發(fā)出了TGP12多功能隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與檢測(cè)儀和與之相匹配的TGPWin軟件處理系統(tǒng)。

2 常用隧道預(yù)報(bào)方法的基本原理

2.1 TSP隧道地震波探測(cè)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

隧道地震超前預(yù)報(bào)測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)稱TSP(Tunnel Seismic Prediction),是我國(guó)20世紀(jì)90年代從瑞士安伯格(AMBERG)測(cè)量技術(shù)公司引進(jìn)的一套先進(jìn)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)，也是我國(guó)目前應(yīng)用較為廣泛的一種。TSP和其他的反射地震波方法一樣，采用了回聲測(cè)量原理：地震波在指定的震源點(diǎn)(通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn)布成一條直線)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，產(chǎn)生的地震波在巖石中以面波的形式向前傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗界面，例如斷層，巖石破碎帶，巖性突變等)時(shí)，一部分地震信號(hào)返回來(lái)，一部分地震信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)，反射的地震信號(hào)被兩個(gè)三維高靈敏度的地震檢波器(一般左邊墻和右邊墻各一個(gè))接收。通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析，便可推斷空洞斷層，巖石破碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石力學(xué)參數(shù)。

2.2 紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

對(duì)地球表層巖體的溫度起到主導(dǎo)作用的是地球地?zé)釄?chǎng)。在一定深度范圍內(nèi)，深度方向每增加1 km，地?zé)釄?chǎng)的溫度則相應(yīng)的增加30 ℃，而與其垂直的水平方向，地?zé)釄?chǎng)的溫度變化卻非常小，由此得出結(jié)論，在一定深度下，開挖隧道的巖體，可將其看做位于一恒定溫度場(chǎng)中，為一常溫場(chǎng)，溫度的變化幾乎為零。所以，當(dāng)預(yù)計(jì)即將開挖的掌子面后方存在含有水的巖層，如溶洞、裂隙水等，且該含水巖層與開挖巖體存在一定的溫度差時(shí)，巖體中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱傳導(dǎo)和對(duì)流作用，那么溫度場(chǎng)即不再為恒溫場(chǎng)，故而會(huì)產(chǎn)生一定的溫度異常場(chǎng)，由于這種異常的存在，故掌子面上會(huì)存在著溫度的差異，所以利用紅外輻射測(cè)溫法測(cè)定這種溫度變化差異，就可預(yù)報(bào)掌子面前方的含水層情況。這種方法就是紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

2.3 其他幾種超前預(yù)報(bào)方法

超前預(yù)報(bào)法除了上述介紹的幾種之外，還包括HSP水平聲波刨面法、聲波CT技術(shù)等幾種方法，相對(duì)而言，這幾種方法運(yùn)用較少。以下簡(jiǎn)要的介紹這幾種方法的原理:1)HSP水平聲波剖面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。由于波的傳播過(guò)程遵循惠更斯—菲涅爾原理和費(fèi)馬原理，故該方法的原理是建立在彈性波理論的基礎(chǔ)之上。HSP水平聲波剖面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有其局限性，探測(cè)時(shí)的前提條件是巖溶洞穴及充填物與周邊地質(zhì)體間存在較明顯的聲學(xué)特性差異。預(yù)報(bào)時(shí)，在隧道的施工掌子面或邊墻處發(fā)射低頻聲波信號(hào)，同時(shí)，在隧道內(nèi)其他地點(diǎn)接收反射波的信號(hào)，通過(guò)對(duì)探測(cè)到的反射波信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域等方法的分析，就可以了解掌子面前方巖體的變化情況。2)聲波CT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。聲波CT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的基本原理與醫(yī)學(xué)CT技術(shù)原理相同，在做預(yù)報(bào)時(shí)也有相應(yīng)的物理前提，即物性差異不同的介質(zhì)，在其內(nèi)部聲波的傳播速度也不同，通過(guò)這種預(yù)報(bào)方法，在密集對(duì)穿的測(cè)試方式下，可以通過(guò)聲波在不同介質(zhì)中傳播速度的不同來(lái)計(jì)算模擬出物體內(nèi)部不同物性的具體性質(zhì)，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)收集到的地質(zhì)資料的分析，從而達(dá)到對(duì)預(yù)報(bào)的掌子面前方的巖體內(nèi)部的地質(zhì)體進(jìn)行三維圖像的直觀展示。

3 常用隧道探測(cè)方法的特點(diǎn)

3.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)法的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：1)該方法適用的范圍比較廣，適用于各類地質(zhì)情況；2)對(duì)掌子面前方的距離預(yù)報(bào)較長(zhǎng)，能預(yù)報(bào)掌子面前方達(dá)500 m深度；3)不影響隧道施工，只是在接收信號(hào)時(shí)短暫停止施工即可；4)用時(shí)短，每次的探測(cè)時(shí)間約為45 min；5)投入費(fèi)用較少，單位長(zhǎng)度隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)費(fèi)用非常低；6)成果報(bào)告快，僅需要一天時(shí)間即可完成成果報(bào)告。

缺點(diǎn)：1)存在部分因斷層、大型節(jié)理帶與掌子面角度為鈍角時(shí)，活隧道因開挖空腔擋住地震震源產(chǎn)生的地震波，使其無(wú)法穿透，不能經(jīng)過(guò)反射鏡面反射，使得待接收裝置無(wú)法接收，而導(dǎo)致局部斷層等不被識(shí)別。2)TSP的成果質(zhì)量受到現(xiàn)場(chǎng)起爆點(diǎn)、接收點(diǎn)鉆孔的位置、長(zhǎng)度以及角度等的影響非常嚴(yán)重。3)因?yàn)樗褂玫脑O(shè)備均為進(jìn)口設(shè)備，所以成本較高，在普通隧道施工中應(yīng)用較少。

3.2 紅外探水超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：預(yù)測(cè)速度快，占用施工時(shí)間較少；數(shù)據(jù)分析快，預(yù)測(cè)工作結(jié)束時(shí)，就可以得到初步結(jié)論。

缺點(diǎn)：僅僅可以預(yù)測(cè)出含水巖體的大致方位，不能給出含水巖體的具體位置及所含水量及水壓等詳細(xì)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)前面的總結(jié)分析，我們從總體上了解了隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的發(fā)展概況以及現(xiàn)階段我國(guó)所常用的幾種超前探測(cè)方法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)越來(lái)越多地采用數(shù)值模擬計(jì)算方法來(lái)模擬隧道圍巖的變形。

[1] 鐘宏偉，趙 凌.我國(guó)隧道工程超前預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].人民長(zhǎng)江，2004，9(35)：15-17.

[2] 岳建華，劉樹才.礦井直流電法勘探[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000：1-13.

Researchingpresentsituationandtrendofdevelopmentofgeologyforecastoftunneling

ZHUFeiLIUGuo-zhengPENGHong-ming

(QinghaiEnvironmentalGeologyExplorationBureau,Xining810007,China)

This article summarizes characteristic and applicable scope of several commonly methods of tunnel forecasts through understanding the development present situation of tunneling the domestic and foreign in advance geology forecast and forecasts the method in advance to the commonly used tunnel the analysis characteristic, and will carry on the forecast to future trend of development, exploring computer technology application of the tunnel forecasts.

tunneling, forecasts, the TSP law, geological radar, infrared to search the water

1009-6825(2014)33-0156-02

2014-09-18

朱 飛(1984- )，男，碩士，工程師

U452.1

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