隧道建設(shè)過程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用方法淺析

李衛(wèi)炎

(浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán) 第三交通工程有限公司，杭州 310051)

隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，長大隧道工程日益增多。不同形式的長大隧道在高等級(jí)公路、鐵路中使用也越來越普遍，修建隧道的施工方法也日臻完善。新奧法作為當(dāng)前隧道施工中的主流方法有著重要的地位，隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測已成為保證隧道施工安全和質(zhì)量的重要手段。但地下工程在建設(shè)過程中受諸多因素的影響，如何能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、方便地預(yù)報(bào)施工面前方及周圍的地質(zhì)狀況，做到有的放矢地采用與地質(zhì)情況相適應(yīng)的開挖方法和支護(hù)手段，是隧道工程界多年來不斷努力探索的課題［1］?，F(xiàn)行隧道施工超前預(yù)報(bào)采用的方法中，有的探測距離太短，如雷達(dá);有的則過于昂貴，使用起來也未必方便，例如進(jìn)口的TSP203 設(shè)備［2-4］。

采用地震波回波信號(hào)來探測預(yù)報(bào)地質(zhì)狀況，多年來一直應(yīng)用于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測中。但如何獲得廣譜的有較強(qiáng)指向性的回波信號(hào)，如何篩選、處理、分析這些信號(hào)并最后較準(zhǔn)確地獲取我們期望的成果，卻是諸多地震儀尚未完全解決的問題，也是困擾地下工程界的難題之一［5-6］。有鑒于此，本文從現(xiàn)行長大隧道工程中常采用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法分析入手，針對(duì)預(yù)報(bào)過程中的重點(diǎn)問題開展探討，以資參考。

1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中常用方法及其優(yōu)缺點(diǎn)分析

長期以來，我國隧道施工隊(duì)伍普遍忽略地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，大多是按設(shè)計(jì)圖紙施工，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況不對(duì)才提出變更，或者是發(fā)生塌方、涌水等災(zāi)害性事故后，才認(rèn)真審視地質(zhì)工作。事實(shí)上，隧道施工地質(zhì)工作已成為一道不可缺少的重要工序，重視隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作也正在成為管理部門和廣大工程技術(shù)人員的共識(shí)。

地下工程施工過程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法較多，但主流方法仍以地震波法、電磁波法及瞬變電磁法等為代表。由于各種超前預(yù)報(bào)技術(shù)的基礎(chǔ)理論不同，并有各自的適用范圍和特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)具體隧道的特點(diǎn)有選擇性的采用，不能一味所有方法全部用上。因此，有必要對(duì)各自方法的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析。

1.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中常用方法

1.1.1 地震波法

該法的基本原理如圖1(a)所示，在隧道掌子面附近邊墻一定范圍內(nèi)布置激發(fā)孔，通過在孔中人工激發(fā)地震波，所產(chǎn)生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播。當(dāng)圍巖波阻抗發(fā)生變化時(shí)(例如遇巖溶、斷層或巖層的分界面)，一部分地震波將會(huì)被反射回來，另一部分地震波將會(huì)繼續(xù)向前傳播。這種方法在已開挖的隧道側(cè)壁上進(jìn)行探測，它一方面排除了對(duì)施工的干擾，另一方面建立了與隧道軸線相關(guān)的空間幾何關(guān)系，為今后的定量分析提供了參考坐標(biāo)［3］。

該地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以對(duì)掌子面前方中等硬度級(jí)別的隧道圍巖，100～200 m范圍內(nèi)的巖性變化、斷層、破碎帶、巖溶發(fā)育帶以及它們的分布特征、規(guī)模和前方巖層的含水特性做出預(yù)測。并能計(jì)算出上述范圍內(nèi)的縱波(P波)和橫波波速(SH波)、波速比、泊松比及相應(yīng)巖體的動(dòng)彈性模量和剪切模量等巖石力學(xué)參數(shù)。該方法中典型的代表性儀器如TSP203，TGP206等。

1.1.2 電磁波法

該方法基于一種用于確定地下介質(zhì)分布情況的高頻電磁技術(shù)，從測得的地下介質(zhì)的電性差異來獲取相關(guān)地質(zhì)信息。工作過程是:由置于地面的天線向地下發(fā)射一高頻電磁脈沖，當(dāng)其在地下傳播過程中遇到不同電性(主要是相對(duì)介電常數(shù))界面時(shí)，電磁波一部分發(fā)生折射透過界面繼續(xù)傳播，另一部分發(fā)生反射折向地面，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄。在更深處的界面，電磁波同樣發(fā)生反射與折射，直到能量被完全吸收為止，見圖1(b)。電磁波從被發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線接收的時(shí)間稱為雙程走時(shí)t，當(dāng)求得地下介質(zhì)的波速時(shí)，可根據(jù)測到的精確t值折半乘以波速求得目標(biāo)體的位置或埋深。同時(shí)結(jié)合各反射波組的波幅與頻率特征可以得到波形圖像，從而了解場地內(nèi)目標(biāo)體的分布情況［7］。該方法中典型的代表性儀器為地質(zhì)雷達(dá)。

圖1 地震波法與電磁波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)示意

1.1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不接地天線向地下發(fā)射一次脈沖電磁場，在一次脈沖磁場的間歇期，觀測二次渦流場的方法，見圖2。當(dāng)發(fā)射回線中的電流突然斷開時(shí)，在介質(zhì)中激勵(lì)二次渦流場，在二次渦流場的衰減過程中，早期反映淺層信息，晚期反映深部信息。研究瞬變電磁場隨時(shí)間的變化規(guī)律，即可了解不同導(dǎo)電介質(zhì)的垂向分布。瞬變電磁法的探測深度與線圈的大小、匝數(shù)有關(guān)。線圈越大，匝數(shù)越多，探測深度越大。

該法能探測掌子面前方30～50 m距離，具有測試速度快、測試時(shí)間短及對(duì)地下水敏感度高等特點(diǎn)。

1.2 各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用方法優(yōu)缺點(diǎn)分析

隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)由單一的地質(zhì)分析預(yù)報(bào)階段發(fā)展到地質(zhì)分析結(jié)合地球物理探測的綜合預(yù)報(bào)階段。目前國內(nèi)使用較多的方法主要有地震類方法(如 TSP/TGP、TST等)、電磁波法(如地質(zhì)雷達(dá))、瞬變電磁法等，各種方法均有自身的特點(diǎn)與優(yōu)勢及相應(yīng)的不足，見圖3及表1。

由表1、圖3可見，地震波法(TSP/TGP)探測系統(tǒng)較之其它設(shè)備，由于具有探測距離遠(yuǎn)、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)施工干擾小等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。但其也存在如下缺點(diǎn):對(duì)地下水敏感程度相對(duì)較差;對(duì)與隧道軸線小角度相交或傾角較緩的巖層預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度相對(duì)較低等。地質(zhì)雷達(dá)主要是一種現(xiàn)場操作簡單、對(duì)現(xiàn)場掌子面要求較低且具有高分辨率、高準(zhǔn)確度的一種方法，其缺陷是預(yù)報(bào)距離較短，且容易受現(xiàn)場金屬材料等的干擾。同時(shí)由于受到自身設(shè)備重量的影響，很難全面查清尤其是掌子面拱頂部位的圍巖及不良地質(zhì)分布特征。而瞬變電磁法雖然對(duì)水很敏感，但受現(xiàn)場影響較大，預(yù)測距離也較短。

2 隧道建設(shè)過程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方案淺析

從前述各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的特點(diǎn)來看，均有各自的適用范圍和探測優(yōu)勢，因此，在隧道建設(shè)過程中應(yīng)根據(jù)各自方法的特點(diǎn)結(jié)合具體隧道的實(shí)際情況，有選擇的使用［8-9］。依據(jù)前述分析，作者提出隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中應(yīng)按“長短結(jié)合、綜合預(yù)測預(yù)報(bào)”的原則進(jìn)行，具體技術(shù)方案歸結(jié)為以下4項(xiàng)。

1)總體預(yù)測預(yù)報(bào)手段 為避免超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)施工帶來的不利干擾，建議以地震波法作長距離預(yù)報(bào)，采用目前最先進(jìn)的超前探測設(shè)備(如TGP206/TSP203等)對(duì)隧道全長范圍內(nèi)的巖土體分布特征、不良地質(zhì)發(fā)育狀況等進(jìn)行長距離的探測。

2)隧道洞口段預(yù)測預(yù)報(bào)手段 在隧道洞口位置，受實(shí)施條件的制約，長距離超前預(yù)測預(yù)報(bào)手段(如TGP206/TSP203)難以實(shí)施的地段，建議主要采用短距離的預(yù)測預(yù)報(bào)措施(如電磁波法中的代表性儀器地質(zhì)雷達(dá))，必要時(shí)結(jié)合超前鉆孔進(jìn)行。

圖2 瞬變電磁法原理示意

表1 各測試方法的對(duì)比表

圖3 各方法超前預(yù)報(bào)測區(qū)布置

3)長大深埋隧道及地質(zhì)不良段預(yù)報(bào)手段 針對(duì)長大深埋隧道埋深大、穿越地質(zhì)條件復(fù)雜等具體特點(diǎn)，在充分參考設(shè)計(jì)階段地勘資料的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮到各超前探測設(shè)備對(duì)前方不良地質(zhì)體反應(yīng)敏感程度的差異，制定超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)基本原則:①以長距離超前預(yù)測預(yù)報(bào)為主，重點(diǎn)對(duì)長距離超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)過程中表現(xiàn)不甚敏感的不良地質(zhì)體(如地下水、斷層、溶洞等)采用針對(duì)性的探測設(shè)備;②針對(duì)隧道大埋深段(一般處于高地應(yīng)力區(qū))通過超前預(yù)報(bào)信息的解譯(如圍巖彈性波速、重度等指標(biāo))辨識(shí)前方巖體的致密及堅(jiān)硬程度，結(jié)合自重應(yīng)力場特征初步判別巖爆、大變形等發(fā)生的可能性;③針對(duì)地下水，在前期長距離超前預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，采用對(duì)水敏感度高的瞬變電磁儀或紅外探測儀進(jìn)行超前探測;④針對(duì)隧道前方不良地質(zhì)體(如溶洞、采空區(qū))，采用短距離的地質(zhì)雷達(dá)探測手段進(jìn)行二次驗(yàn)證;⑤由地質(zhì)工程師根據(jù)區(qū)域地質(zhì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，綜合分析判斷，對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況做出預(yù)測，并對(duì)各類儀器探測出的地質(zhì)現(xiàn)象做出合理解釋。

4)根據(jù)現(xiàn)場超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)勘查設(shè)計(jì)給出的地質(zhì)資料，進(jìn)行分析研究，結(jié)合實(shí)際情況，判斷隧道地質(zhì)劃分的正確與否，及時(shí)識(shí)別施工中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)源并提出相應(yīng)的建議。

3 結(jié)語

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷加快，各類長大深埋及特殊復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道大量涌現(xiàn)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)作為前期勘察資料的有益補(bǔ)充，越來越得到現(xiàn)場技術(shù)人員的重視，各種新技術(shù)、新設(shè)備也屢見不鮮。但由于各種技術(shù)設(shè)備基于基礎(chǔ)理論的差異，均有各自的適用性，本文在總結(jié)現(xiàn)今超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)主流方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了隧道建設(shè)過程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的具體實(shí)施原則與方案，以供現(xiàn)場技術(shù)人員參考。文中不足之處，敬請(qǐng)批評(píng)指正。

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