隧道掘進(jìn)中超前地質(zhì)勘探方法初探

譚光華

摘 要：掘進(jìn)機(jī)在隧道施工中不能很好地適應(yīng)各類地質(zhì)條件，而且施工地質(zhì)條件較差會(huì)嚴(yán)重影響隧道掘進(jìn)機(jī)的正常運(yùn)行，降低隧道掘進(jìn)機(jī)的工作效率，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)p壞隧道掘進(jìn)機(jī)，導(dǎo)致隧道掘進(jìn)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，直接影響了正常工程建設(shè)進(jìn)度。由此可見，隧道掘進(jìn)超前地質(zhì)勘探對(duì)隧道掘進(jìn)施工具有重要意義。從超前地質(zhì)勘探技術(shù)的分類入手，詳細(xì)分析了隧道掘進(jìn)過程中常用的超前地質(zhì)勘探方法。

關(guān)鍵詞：隧道掘進(jìn)；地質(zhì)條件；地質(zhì)勘探；預(yù)報(bào)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U452.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.090

在隧道工程建設(shè)施工過程中，通常會(huì)面臨各種不同類型的地質(zhì)條件，大大增加了隧道正常建設(shè)施工的難度。隧道掘進(jìn)超前地質(zhì)勘探技術(shù)能夠準(zhǔn)確探測(cè)施工地段的地質(zhì)情況，在隧道掘進(jìn)正式施工前準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地質(zhì)條件，為隧道建設(shè)施工提供科學(xué)、有效的數(shù)據(jù)支持，確保隧道掘進(jìn)施工的正常工作進(jìn)度，防止發(fā)生施工安全事故，有利于隧道建設(shè)工程的順利進(jìn)行。

1 隧道掘進(jìn)超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)技術(shù)主要分類

1.1 長(zhǎng)期超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)

長(zhǎng)期超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)技術(shù)主要采用斷層參數(shù)預(yù)測(cè)法、儀器探測(cè)法和地面地質(zhì)調(diào)查法進(jìn)行勘探預(yù)報(bào)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)距離最遠(yuǎn)能夠到達(dá)500 m左右。長(zhǎng)期超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)技術(shù)主要針對(duì)的是不良地質(zhì)環(huán)境的位置、性質(zhì)、寬度和受影響隧道地段的距離。通過勘探不同種類的地質(zhì)條件及其影響范圍，預(yù)報(bào)施工地段的圍巖類別、地下水狀態(tài)和工程建設(shè)施工受到的影響。長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)主要是在隧道掘進(jìn)前簡(jiǎn)單確定施工前方大致的地質(zhì)條件，有利于相關(guān)決策人員提前了解圍巖類別和地質(zhì)條件變化，重點(diǎn)處理圍巖類別低的地段，在正常施工地段加速掘進(jìn)，從而提高隧道掘進(jìn)施工速度。長(zhǎng)期超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)技術(shù)主要是在隧道中連續(xù)預(yù)報(bào)地質(zhì)情況，預(yù)報(bào)精確度比較高。

1.2 短期超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)

短期超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)技術(shù)是根據(jù)長(zhǎng)期超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)的結(jié)果進(jìn)行深入預(yù)報(bào)工作，主要勘探方法包括地質(zhì)雷達(dá)法和掌子面編錄預(yù)測(cè)法等，預(yù)測(cè)距離最遠(yuǎn)可達(dá)30 m左右，能準(zhǔn)確勘探施工前方30 m范圍內(nèi)的圍巖等級(jí)和地質(zhì)條件，全面預(yù)報(bào)掌子面周圍的不良地質(zhì)分布情況、隧道的圍巖等級(jí)、地下水情況和對(duì)隧道掘進(jìn)的具體影響，大致確定出施工地段可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。短期超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)技術(shù)主要適用于不良地質(zhì)條件分布比較廣泛、隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜的施工地段。

1.3 其他分類

根據(jù)隧道探測(cè)原理，主要分為地球物理探測(cè)法，包括陸地聲吶法、紅外探水法、隧道地震超前預(yù)報(bào)方法、地質(zhì)雷達(dá)法和水平聲波剖面法；鉆孔探測(cè)法，主要包括超前水平鉆機(jī)、超深風(fēng)鉆孔和超前鉆機(jī)等；其他方法主要包括斷層參數(shù)預(yù)測(cè)技術(shù)、超前導(dǎo)坑法和掌子面地質(zhì)編錄預(yù)測(cè)技術(shù)。

2 隧道掘進(jìn)超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)技術(shù)

2.1 鉆孔探測(cè)法

2.1.1 超前鉆機(jī)

在隧道掘進(jìn)施工過程中，通過隧道掘進(jìn)機(jī)中的超前鉆機(jī)和超前地質(zhì)探測(cè)儀，可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)施工地段的超前地質(zhì)情況，同時(shí)根據(jù)施工地段的巖石裸露情況、掘進(jìn)參數(shù)的變化情況和掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的異常情況，綜合分析判斷超前地質(zhì)情況，從而采取有效的處理措施，確保隧道掘進(jìn)機(jī)的順利運(yùn)行。超前鉆機(jī)的經(jīng)濟(jì)成本比較高，施工時(shí)間較長(zhǎng)，因此適用于短距離的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

2.1.2 超前水平鉆

超前水平鉆在隧道掘進(jìn)超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)中的應(yīng)用比較廣泛，能夠根據(jù)超前水平鉆的鉆頭壓力、巖心編錄、鉆速、涌水和漏水情況以及轉(zhuǎn)動(dòng)力矩等多方面參數(shù)建立準(zhǔn)確的超前地質(zhì)綜合柱狀圖，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)取芯，具有較快的鉆進(jìn)速度；同時(shí)，可以通過雙重管鉆進(jìn)、反循環(huán)沖洗鉆進(jìn)和套管護(hù)壁方法解決超前水平鉆施工過程中出現(xiàn)的埋鉆、卡鉆等情況，能夠提高水分含量較多的施工地段超前勘探工作的準(zhǔn)確性，避免隧道內(nèi)發(fā)生泥石流災(zāi)害。超前水平鉆操作工作量較少、預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)，而且工作條件比較好。

2.1.3 超深風(fēng)鉆孔

超深風(fēng)鉆孔是通過鉆孔臺(tái)車在鉆炮眼前鉆15 m長(zhǎng)的孔，然后根據(jù)推力、旋轉(zhuǎn)力矩、返水量、濃度變化、鉆速、轉(zhuǎn)速、給水量、返水顏色等，配合切面圖、素描圖、剖面圖和掌子面觀察情況，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)施工前方的不良地質(zhì)條件，可以利用最小施工進(jìn)尺實(shí)現(xiàn)控制范圍的最大化。超深風(fēng)鉆孔操作簡(jiǎn)單、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性高、施工時(shí)間少。

2.1.4 超前鉆孔取芯法

采用取芯鉆機(jī)鉆探取芯，通過全面分析巖芯情況判斷施工地段前方的不良地質(zhì)條件。超前鉆孔取芯法耗費(fèi)施工時(shí)間較長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)成本高，因此主要適用于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地段，可以通過各種室內(nèi)試驗(yàn)，選擇出有效的支護(hù)方法、施工手段和防水處理措施。

2.2 地球物理探測(cè)法

2.2.1 地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

隧道掘進(jìn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是根據(jù)反射地震波的處理和接收情況，在掌子面后方相應(yīng)位置的鉆孔內(nèi)進(jìn)行微型爆破，發(fā)射出聲波信號(hào)，聲波信號(hào)按照球面的方式在巖體中傳播，當(dāng)聲波信號(hào)在隧道中遇到界面時(shí)會(huì)反射，隧道兩側(cè)巖石等級(jí)差距較大，反射的聲波信號(hào)比較強(qiáng)，經(jīng)傳感器接收信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大，最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，并由專用軟件分析、處理信號(hào)，由此準(zhǔn)確勘探預(yù)報(bào)施工前方的地質(zhì)條件。

2.2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是用發(fā)射天線將電磁波從掌子面發(fā)射到地質(zhì)層中，經(jīng)接口反射到掌子面中，通過另一側(cè)的天線接收信號(hào)，并分析、處理回波信號(hào)，從而準(zhǔn)確預(yù)報(bào)施工前短距離的地質(zhì)條件。該方法主要適用于巖體性隧道建設(shè)中，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性較高，在隧道掌子面超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)工作中得到了廣泛應(yīng)用。

2.2.3 陸地聲吶法

陸地聲吶法其實(shí)是通過垂直地震波反射原理進(jìn)行預(yù)報(bào)，主要采用錘擊激發(fā)聲波，由高頻超寬帶接受反射波，采用極小的偏移距離超前預(yù)報(bào)隧道的地質(zhì)情況，最遠(yuǎn)距離可達(dá)80 m左右。

2.2.4 水平聲波剖面法

通過水平聲波剖面法進(jìn)行探測(cè)不會(huì)占用隧道的掌子面，在隧道兩側(cè)的淺孔內(nèi)設(shè)置發(fā)射源、信號(hào)接收器，形成水平聲波剖面。隧道內(nèi)不同檢測(cè)點(diǎn)的反射波采用相同路徑，反射波的界面形態(tài)和組合形態(tài)相同，反射圖形簡(jiǎn)單清晰。水平聲波剖面法對(duì)反射界面的傾斜角要求較低，適用范圍比較廣泛。

2.2.5 紅外探水法

隧道中巖體的紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)度受地下水影響較大，利用紅外探水設(shè)備接收和分析隧道巖體的紅外輻射強(qiáng)度，根據(jù)巖體的紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況勘探、預(yù)報(bào)隧道前方的不良地質(zhì)條件。這種探測(cè)方法只適用于含有地下水地質(zhì)條件的預(yù)報(bào)。

3 結(jié)束語

綜上所述，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，鐵路、隧道、公路、橋梁等建筑數(shù)量大大增加，在隧道掘進(jìn)建設(shè)過程中，面臨著各種不同的地質(zhì)條件，給隧道建設(shè)施工造成了嚴(yán)重的安全隱患。因此，做好隧道掘進(jìn)超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)工作對(duì)隧道工程的建設(shè)具有重要意義，能夠有效防止安全事故的發(fā)生。在隧道掘進(jìn)超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)工作中，應(yīng)該綜合考慮不同檢測(cè)方法自身的特點(diǎn)和適用性，科學(xué)、合理地運(yùn)用各種勘探預(yù)報(bào)技術(shù)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高超前地質(zhì)勘探預(yù)報(bào)技術(shù)的專業(yè)水平，從而提高隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，促進(jìn)隧道工程的安全、高效建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

[1]任輝.關(guān)于隧道信息化施工中綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的研究[J].低碳世界，2013（20）：217-219.

[2]王國斌，利奕年.某公路瓦斯隧道綜合勘察技術(shù)應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2011（4）：1273-1277.

[3]席錦州，周捷.TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在新銅鑼山隧道中的運(yùn)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012（5）：137-141，150.

〔編輯：王霞〕