隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)綜述

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

一、引言

隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用時間不長，正處于一個快速發(fā)展的階段[1,2]。許多科研單位都開展了相應(yīng)的研究工作，如李術(shù)才等[3]提出了四階段全過程的隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系，初步形成基于約束聯(lián)合反演理論的綜合預(yù)報方法；薛翎國等[4]詳細(xì)討論了儀器配合的關(guān)鍵問題，并開發(fā)了隧道超前地質(zhì)預(yù)報自動選擇程序；李術(shù)才等[5]開展了綜合超前地質(zhì)預(yù)報的研究，提出了地質(zhì)預(yù)報的“三結(jié)合”原則。

本文將具體闡述工程地質(zhì)調(diào)查法、超前水平鉆孔法、地質(zhì)雷達(dá)法、TRT探測法、TSP探測法的原理及特點，并分析起優(yōu)缺點和局限性，為綜合運用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)處理復(fù)雜隧道提供借鑒與指導(dǎo)。

二、超前地質(zhì)預(yù)報的意義及內(nèi)容

(一)超前地質(zhì)預(yù)報的意義

近年來，我國基礎(chǔ)建設(shè)迎來了新的建設(shè)高潮，特別是在道路方面，而隧道作為道路的重要工程，在項目中所占比例越來越大，我國已成為世界上隧道修建規(guī)模和難度最大的國家。為了有效彌補因前期地勘工作的局限而難以探查的隱伏的重大問題，實現(xiàn)減少或杜絕施工期地質(zhì)災(zāi)害、保障生產(chǎn)建設(shè)安全的目標(biāo)，在隧道施工中開展超前地質(zhì)預(yù)報是十分必要的。

(二)超前地質(zhì)預(yù)報的內(nèi)容

超前地質(zhì)預(yù)報是利用地質(zhì)理論、物探方法、鉆探方法等技術(shù)手段，預(yù)測隧道掌子面前方的地質(zhì)條件，并提出確切可行的施工對策，以確保施工的安全[1,2]。主要包括：(1)地層巖性預(yù)報(2)地質(zhì)構(gòu)造預(yù)報(3)不良地質(zhì)預(yù)報(4)地下水預(yù)報。

三、超前地質(zhì)預(yù)報的常用方法

(一)工程地質(zhì)調(diào)查法

工程地質(zhì)調(diào)查法是根據(jù)已有地質(zhì)資料以及經(jīng)過調(diào)查的地表與隧道內(nèi)的工程地質(zhì)資料，通過地質(zhì)理論分析、地質(zhì)作圖等，了解所處地段的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征并預(yù)測掌子面前方地質(zhì)情況的一種預(yù)測方法。

(二)超前水平鉆孔法

超前水平鉆孔法是通過鉆進(jìn)速度測試、巖芯采取率統(tǒng)計、鉆孔巖芯鑒定和必要的巖芯試件強度試驗來確定隧道施工掌子面前方巖層的展布、地層巖石的軟硬程度、巖體完整性及可能存在的斷層、空洞的分布位置，從而進(jìn)行隧道施工掌子面前方的超前地質(zhì)預(yù)報。

(三)地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)是一種用于探測地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進(jìn)行工作，電磁波脈沖由發(fā)射天線T發(fā)出，被地下介質(zhì)反射，由天線R接收，然后將這些信號記錄下來以圖像形式顯示出來。在電磁波傳播的過程中，遇到不同的巖層或巖層節(jié)理發(fā)育程度不同時，電磁波的反射系數(shù)、衰減系數(shù)以及反射波頻率是不一樣的，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收波的旅行時間、幅度與波形材料，可推斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)[1]。

地質(zhì)雷達(dá)是現(xiàn)在普遍使用的分辨率較高的方法，對于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識別能力，在深埋隧道、富水地層以及溶洞發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)是一個很好的預(yù)報手段，操作簡單。

(四)TSP探測法

TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧道掘進(jìn)面前方及周圍鄰近區(qū)域地質(zhì)狀況的。在隧道左或右邊墻設(shè)計24個炮點，用少量炸藥激發(fā)地震波，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綌鄬印⑵扑閹У葞r石波阻抗差異界面時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號被高靈敏度的地震檢波器接受，通過處理數(shù)據(jù)和地質(zhì)解譯即可了解隧道掌子面前方不良地質(zhì)體的發(fā)育位置與規(guī)模。

TSP具有很多的優(yōu)點：(1)探測距離100～350m。(2)適用范圍比較廣。(3)對隧道施工干擾小(4)提交材料快，一天內(nèi)即可提交成果報告。(5)節(jié)約投資費用。

TSP也存在它的局限性：(1)探測精度比較低，探測對象與相鄰介質(zhì)必須存在較明顯的波阻抗差異并具有足以被探測的規(guī)模。(2)在地質(zhì)情況復(fù)雜多變、各種干擾比較嚴(yán)重的情況下，有效波的識別與分離比較困難。(3)對巖溶等不規(guī)則體探測效果較差。

(五)TRT探測法

TRT全稱隧道反射層析掃描成像技術(shù)，屬于地震波反射方法，其原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面處。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接受，通過分析被用來了解隧道掌子面前方地質(zhì)體的性質(zhì)、位置及規(guī)模[1]。

TRT法在探測過程中有輕便簡潔、干擾施工小、適用范圍廣的特點。與TSP相比，雖然都是利用反射地震波，但是TRT采用空間多點接收和激發(fā)，獲取的空間波場信息更豐富，對不良地質(zhì)體的定位精度更高，采用錘擊作為震源，同爆破相比，具有安全度高、費用低的優(yōu)點，而且通過同一點的多次錘擊，可疊加信號，使異常體反射信號更加明顯。采用掃描圖像處理方式，可實現(xiàn)地質(zhì)體的三維成像，預(yù)報結(jié)論更加直觀，反映更客觀。

四、超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)未來的發(fā)展

超前地質(zhì)預(yù)報在隧道施工中越來越受到重視，目前各種預(yù)報方法也都在實踐過程中積累了經(jīng)驗，同時也暴露出很多問題。所以，地質(zhì)法和物探法的有機(jī)結(jié)合是超前地質(zhì)預(yù)報未來發(fā)展的基礎(chǔ)。

今后想要提高超前地質(zhì)預(yù)報的精度，不但要各種方法取長補短綜合分析，還必須對現(xiàn)有的超前地質(zhì)預(yù)報方法進(jìn)行改進(jìn)，完善巖體類別識別和定量化指標(biāo)，以適應(yīng)超前地質(zhì)預(yù)報工作的迫切需要。