綜合超前地質預報技術在大型復雜地下工程中的應用

2016-01-14 03:37:42雷春英,尚億軍

建材世界 2015年4期

雷春英，尚億軍

(武漢理工大學資源與環境工程學院，武漢 430070)

摘要：大型復雜地下工程建設過程中面臨危險源多，涉及面廣，各因素層次復雜等情況，對工程的正常施工提出了嚴峻考驗。通過研究大量成功預報的案例，完善典型不良地質體的解譯標志，優化預報組合方案，構建綜合超前地質預報體系，可有效解決單一物探方法多解性的缺點，大大提高不良地質體預報的準確度，達到安全、經濟、高效的目標。

關鍵詞：綜合超前地質預報；TSP；GPR；大型復雜地下工程

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.019

Abstract:The multi-hazard，wide-covered，complex factors during the large complex underground construction process posed severe challenges to the construction project.A large number of successfully forecast cases were studied，and bad typical geological interpretation signs were perfect.Combination forecasting scheme was optimized.Comprehensive geological prediction system was constructed to effectively solve the disadvantage of multiple solutions of single geophysical methods，and greatly improve the accuracy of prediction of adverse geological.The target of safe，economical and efficient is achieved.

收稿日期：2015-06-13.

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃重點項目(2011BAB05B03)和武漢市科技計劃項目(2013030409020108).

作者簡介：雷春英(1986-)，碩士，助理實驗師.E-mail:chunyinglei0402@163.com

Discussion on Comprehensive Advance Geology

Forecast Technology in the Large and Complex Underground Projects

LEIChun-ying，SHANGYi-jun

(School of Resource and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Key words:comprehensive geological forecast;TSP;GPR;large and complex underground projects

近年來，大型復雜地下工程如長深埋型復雜隧道施工、大型地下礦山、城市復雜環境下隧道等的掘進及開采過程中，施工掌子面前方常常面臨非常復雜的不良地質體，往往會誘發多種地質災害，而地質災害的不可選擇性、復雜性、特殊性和突發性，常常成為制約工程順利進行的最主要因素[1-3]。因此，在大型復雜地下工程的施工過程中，更要充分地了解前方圍巖的地質條件，快速做出反應，從而有效指導施工的順利進行，防止災害的發生。

超前地質預報技術大型復雜地下工程建設中發揮了重要作用，然而，許多針對具體問題的超前預報技術、如何提高預報的準確性和及時性等，仍是國內外工程地質界備受關注的難題[4]。國內外學者對超前地質預報技術的研究和應用十分重視，取得了一定的發展和成果。國內超前地質預報技術經過幾十年的研究，預報手段也由傳統的地質分析法發展到目前的地質分析與地球物理探測、超前鉆探法相結合的綜合超前預報技術，近年來，綜合超前預報技術已在隧道、礦上等工程中取得了成功的運用[5-8]。從當前各種超前地質預報的應用情況可知，每種方法都不可避免地存在局限性，且預報的測試結果具有多解性，特別是大型復雜地下工程的施工，更需要建立起一套綜合超前地質預報體系，通過多種手段綜合運用，多種方法相互印證、補充，才能取長補短，提高預報的準確度[9]。

1常用超前地質預報技術比較

超前地質預報方法一般可分為四類，包括地質分析法、物理探測法、超前鉆探法和超前導洞法，而常用的方法為前三類[10]。每一類超前地質預報方法包括不同的預報技術，我國最常用的預報技術有地質素描、TSP地震波反射法、地質雷達(GPR)探測、超前水平鉆孔等。

地質素描是地質分析法中最常用的方法，也是綜合地質預報最基本的方法，為其他預報方法提供最基礎的地質指導資料，適用于各種地質條件的超前地質預報。TSP和GPR探測法是物理探測法中使用頻率較高的預報方法，TSP探測法對規模較大的不良地質體探測效果較好，適用于長距離探測斷層、破碎帶、巖層分界面等；GPR是物探方法中分辨率最高的探測方法，對含水體反應敏感，適用于短距離探測裂隙水、空洞[11]；高分辨電法和紅外探測法是含水體探測、地下水賦存量探測常用的預報方法，高分辨電法常用于預報掌子面前方含水量、導水構造分布和發育情況；紅外探測法可預報掘進前方30 m范圍內有無含水斷層和溶洞。超前水平鉆孔法是超前鉆探法中最為常用的一種，是預報不良地質體最直接、最有效的手段，常用于斷層、破碎帶、含水層、重大物探異常段等的輔助驗證[12]。超前地質預報常用方法比較如表1所示。

表1　超前地質預報常用方法比較

在超前地質預報過程中，每一種超前地質預報技術的物理基礎不同，對不同地質的預測效果不盡相同，體現的每種預報方法的優缺點。由于采用單一的預報方法存在多解性和局限性，而綜合過多的方法導致成本過高，要解決這一矛盾，就要根據不同預報方法的特點，結合常規的地址分析法，優化方案組合，形成最優的綜合超前地質預報體系，達到既安全、經濟、高效的目標。

2綜合超前地質預報體系在復雜地下工程中的應用思路

大型復雜地下工程的地質預報遵循多方法、多頻次相互印證的原則，采用長短結合、上下對照、定性與定量相結合的方法建立綜合超前地質預報體系。將探測區域按照地質復雜程度分級標準進行分級，地質復雜程度等級可分為復雜、較復雜、中等復雜、簡單 4 級[13]。大型復雜地下工程的施工應建立綜合、完善的超前地質預報方案，在地質調查和分析的基礎上，掌握探測區域總體情況，從宏觀上把握探測區域的地質復雜程度，辨識高風險段落；再進行長距離的常規預報，對復雜、較復雜等級的預報區段，應選擇短距離的物探組合方法，做加強預報或重點預報，技術路線如圖1所示。

由于不同的地下工程的差異性，綜合超前預報的關注重點會不同，例如，長深埋型復雜隧道具有長直的特點，施工超前探測首先關注圍巖的穩定性，首先選用長距離探測技術；而大型地下礦山巷道彎道多，更適用短距離探測方法，側重選擇對水體精度高的探測技術。但不論是哪一種類型的大型復雜地下工程，建立綜合超前地質預報方案的總體思路不變，根據圖1的技術路線圖，可建立三階段的綜合超前預報方案。

1)宏觀預報。常規地質預報是基礎，通過地質調查了解地層巖性、對施工影響較大的地質構造、不良地質及地下水特征，再通過地質素描將勘察和地質調查得到的地質信息投影到施工段，達到細化和補充的作用。

2)長距離預報。通過TSP探測方法進行長距離預報，取得掌子面前方不良地質體的類型、位置等信息，結合常規地質預報獲得的信息，進一步分析掌子面前方可能存在的地質問題。由于TSP存在多解性，只能推斷異常區段可能存在的地質問題，因此，對高風險區段需要在進行短距離二次預報或驗證預報。

3)短距離預報。根據前期預報的不良地質體情況，結合各種探測技術對不同地質體的識別特性，選用GPR、紅外探測法或高分辨電法進行中短距離探測，得到掌子面 30～80 m范圍內圍巖不良地質體更為具體的信息，如三維定位數據、含水量等信息。若探測區段幾次預報結果不一致或者不良地質體風險較高時，需要再通過超前水平鉆探進行驗證預報。

3應用實例總結

通過研究眾多成功預報的案例得知，TSP和GPR是兩種最常用的預報方法，TSP探測在地質條件十分復雜的長深埋隧道方面具有明顯的技術優勢，GPR在短距離探測、水體探測上具有較好的精度。在實際工作中，通過總結這兩種探測技術對不良地質體的響應特征，建立解譯標志，是提高預報效果的有效途徑。

1)參考已有的簡單的 TSP 解譯準則，結合大量TSP預報的經驗成果，總結TSP對常見不良地質體的判識準則，如表2所示。

表2　常見不良地質體的TSP解譯標志

2)參考地質雷達剖面上識別各種波的四個標志，即反射波振幅大小及相位正反、反射波波形特征、頻率特征和時差變化規律，通過對大量GPR反射波的識別、對比，對預報數據的分析，總結GPR對常見不良地質體的判識準則，如表3所示。

根據以上解譯原則和實際工作經驗，結合眾多大型地下工程綜合超前地質預報的工程經驗，發現在掘進過程中，多采用 TSP進行探測，到接近巖性變化較大的軟弱面或富水層時，針對性選用短距離探測技術，既能準確地預報掌子面前方的地質情況，又能減少探測時間，加快施工速度。針對幾種常見不良地質體，提出了綜合超前地質預報的優化組合方案，如表4所示。