超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用

樊永強(qiáng)

【摘要】盡管勘察設(shè)計(jì)部門在隧道施工前進(jìn)行了大量的地質(zhì)勘察工作，但由于當(dāng)前勘察技術(shù)手段和方法技術(shù)的限制，加上地質(zhì)體的復(fù)雜多變，期望在施工前完全查明工程巖體的狀態(tài)、特性，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧洞施工中可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害是不太可能的。本文結(jié)合隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的特點(diǎn)，在隧道開挖過程中，對(duì)掌子面前方巖性進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，可有效地防止工程事故、加快施工進(jìn)度以及保證工程質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；物探；化探；隧道掌子面；綜合方法；

1前言

隧道設(shè)計(jì)與施工之前，要對(duì)擬建隧道工程地段的工程地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)勘察，但由于巖體的復(fù)雜性，使得勘察所獲得的資料與隧道開挖后實(shí)際揭露出來的情況可能會(huì)有較大的出入。由于對(duì)掌子面前方地質(zhì)條件了解不清，隧道施工就帶有很大盲目性，施工中經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)料不到的塌方、冒頂、涌水等事故。這些事故一旦發(fā)生，輕則影響工期，增加工程投資，重則砸毀機(jī)械設(shè)備，甚至造成人員傷亡，而且事故發(fā)生后的處理工作難度較大。如何解決這一難題，備受隧道工程界的關(guān)注，隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)正是在這種情況下提出的。

我國(guó)目前正在進(jìn)行的大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，其中有不少隧道處在復(fù)雜巖性、構(gòu)造、高地應(yīng)力地區(qū)。在我國(guó)隧道施工中由于對(duì)施工前方地質(zhì)條件的不了解造成的隧道坍塌、突水等事故時(shí)有發(fā)生。因此普遍在隧道施工中采用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)，特別是采用國(guó)際先進(jìn)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)提高我國(guó)隧道施工技術(shù)水平大有裨益。本文對(duì)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的一些常用方法作了比較，同時(shí)對(duì)常用的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法的原理、數(shù)據(jù)采集處理的應(yīng)用情況作了介紹。

2地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的常用方法

2.1 直接預(yù)報(bào)法

2.1.1 水平鉆孔

在隧洞內(nèi)安放水平鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆進(jìn)，根據(jù)鉆孔資料來推斷隧洞前方的地質(zhì)情況。鉆孔數(shù)量、角度及鉆孔深度可人為設(shè)計(jì)和控制。由鉆進(jìn)速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液顏色、氣味、巖粉及遇到的其它情況來預(yù)報(bào)。此法可以反映巖體的大概情況，比較直觀，施工人員可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行下步施工組織。

水平鉆孔主要布置在開挖面及其附近，既可在超前導(dǎo)洞內(nèi)布置鉆孔，也可在主洞工作面上進(jìn)行鉆探，用以獲得準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)資料，確保施工組織。該法可獲得工作面前方一定距離的巖芯，也可由鉆孔出水情況判斷前方有無地下水和前方何處有地下水，從而可以得到開挖面前方的地質(zhì)情況。該法是施工預(yù)報(bào)最有效方法之一，但也存在不足之處：①對(duì)垂直隧洞軸線的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)效果較好，與隧洞軸線平行的結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)較差；②需占用較長(zhǎng)的施工作業(yè)時(shí)間，費(fèi)用較高。

2.1.2 超前導(dǎo)坑

按導(dǎo)坑與正洞的相互位置分為平行導(dǎo)坑和正洞導(dǎo)坑。其中，平行導(dǎo)坑與正洞平行，斷面小且和正洞之間有一定距離，通過對(duì)導(dǎo)坑開挖中遇到的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面或地下水等情況作地質(zhì)記錄與分析，進(jìn)而對(duì)正洞地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。該法的優(yōu)點(diǎn)是：預(yù)報(bào)成果比較直觀、精度高、預(yù)報(bào)的距離長(zhǎng)、便于施工人員安排施工計(jì)劃和調(diào)整施工方案，還可以起到減壓放水、改善通風(fēng)條件和探明地質(zhì)構(gòu)造條件的作用，同時(shí)，還可用作排除地下水、斷層注漿處理、擴(kuò)建成第二條隧洞之用。正洞導(dǎo)坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用與平行導(dǎo)坑相比，效果更好。超前導(dǎo)坑的缺陷為：一是成本太高，有時(shí)需要全洞進(jìn)行平導(dǎo)開挖；二是施工工期較長(zhǎng)。

2.2 地質(zhì)分析法

2.2.1 斷層參數(shù)預(yù)測(cè)法

利用斷層影響帶的特殊節(jié)理或集中帶的分布規(guī)律，通過對(duì)斷層影響帶的系統(tǒng)編錄所得經(jīng)驗(yàn)公式，來預(yù)報(bào)隧洞斷層破碎帶的位置和規(guī)模。由于大多數(shù)不良地質(zhì)現(xiàn)象與斷層破碎帶有密切的關(guān)系，故依據(jù)斷層破碎帶推斷其它不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模。

2.2.2 地質(zhì)體投射法

在地表準(zhǔn)確鑒別不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模和巖體質(zhì)量及精確測(cè)定不良地質(zhì)體產(chǎn)狀的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地質(zhì)界面和地質(zhì)體透射公式進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2.2.3 正洞地質(zhì)編錄與預(yù)報(bào)

隧洞施工中，及時(shí)對(duì)其開挖面（掌子面、邊墻面和拱頂面）上的各種地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)繪和記錄，利用已挖洞段地質(zhì)情況來預(yù)報(bào)前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象。它分為①巖層巖性和層位預(yù)測(cè)法：在開挖面揭露巖層與地表某段巖層為同層和確認(rèn)標(biāo)志層的前提下，用地表巖層的層序預(yù)測(cè)掌子面前方將要出現(xiàn)的巖層；②地質(zhì)體延伸預(yù)測(cè)法：在長(zhǎng)期預(yù)報(bào)得出不良地質(zhì)體厚度的基礎(chǔ)上，依據(jù)開挖面不良地質(zhì)體的產(chǎn)狀和單壁始見位置，經(jīng)過一系列的三角函數(shù)運(yùn)算，求得條帶狀不良地質(zhì)體在隧洞掌子面前方消失的距離。

該法是對(duì)開挖面地質(zhì)情況如實(shí)而準(zhǔn)確的反映。其主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育情況、地下水狀態(tài)、圍巖穩(wěn)定性及初期支護(hù)采用方法等。其優(yōu)點(diǎn)是占用施工時(shí)間很短，設(shè)備簡(jiǎn)單，不干擾施工，成果快速，預(yù)報(bào)效果較好，而且為整個(gè)隧洞提供了完整的地質(zhì)資料；缺點(diǎn)是與隧洞夾角較大而又向前傾的結(jié)構(gòu)面容易產(chǎn)生漏報(bào)。

2.3 物探法

2.3.1 彈性波法

2.3.1.1 TSP超前預(yù)報(bào)技術(shù)

TSP（Tunnel Seismic Prediction）超前預(yù)報(bào)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(bào)隧洞掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況。該法屬多波多分量探測(cè)技術(shù)，可以檢測(cè)出掌子面前方巖性的變化，如不規(guī)則體、不連續(xù)面、斷層和破碎帶等。它可以在鉆爆法或TBM開挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。數(shù)據(jù)采集時(shí)在隧洞一邊側(cè)墻等間隔鉆制20余個(gè)炮孔，而在兩側(cè)壁鉆取2個(gè)檢波器孔，使檢波器置入套管中，依次激發(fā)各炮，從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射的信號(hào)及直達(dá)波信號(hào)將被2個(gè)三分量檢波器接收，該過程所需時(shí)間約1小時(shí)。然后利用TSPwin軟件處理可得P波和S波波場(chǎng)分布規(guī)律，其分析過程為：數(shù)據(jù)調(diào)整→帶通濾波→首波拾取→拾取處理→炮能量平衡→直達(dá)波損耗系數(shù)Q估算→反射波提取→P波、S波分離→速度分析→縱向深度位置搜索→反射界面提取等，最終顯示掌子面前方與隧道軸線相交的反射同相軸及其地質(zhì)解譯的二維或三維成果圖。由相應(yīng)密度值，可算出預(yù)報(bào)區(qū)內(nèi)巖體物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而可劃分該區(qū)圍巖工程類別。實(shí)踐表明該法有效預(yù)報(bào)距離100～200m。

通過分析反射波速度，即可進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，由隧洞軸的交角及洞面的距離來確定反射層所對(duì)應(yīng)界面的空間位置和規(guī)模，再結(jié)合P波和S波的動(dòng)力學(xué)特征，遵循以下原則來推斷地質(zhì)體的性質(zhì)：①正反射振幅表明進(jìn)入硬巖層，負(fù)反射振幅表明進(jìn)入軟巖層；②若S波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層飽水；③Vp/Vs增大或泊松比突然增大，常常由于流體的存在而引起；④若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

TSP超前預(yù)報(bào)技術(shù)作為一種比較先進(jìn)的探測(cè)手段已在我國(guó)水利、水電、鐵路、公路、煤炭等系統(tǒng)的各類隧洞或地下洞室工程中得到應(yīng)用，如正在建設(shè)中的宜萬鐵路野三關(guān)隧洞、遼寧大伙房水庫引水隧洞、云南元磨高速公路的大風(fēng)埡口和布垅箐隧洞等工程。它具有預(yù)報(bào)距離相對(duì)較長(zhǎng)、精度較高、提交資料及時(shí)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，尤其與隧洞軸線或呈大角度相交的面狀軟弱帶，如斷層、破碎帶、軟弱夾層、地下洞穴（含溶洞）以及地層的分界面等效果較好。而對(duì)不規(guī)則形態(tài)的地質(zhì)缺陷或與隧洞軸線平行的不良地質(zhì)體，如幾何形狀為圓柱體或圓錐體的溶洞、暗河及含水情況探測(cè)有一定的局限性。

2.3.1.2 陸地聲納法

它是“陸上極小偏移距高頻彈性波反射連續(xù)剖面法”的簡(jiǎn)稱，可在狹小的場(chǎng)地和基巖裸露的條件下，探查巖溶等有限物體。也稱為高密度地震反射或地震映像法。施測(cè)時(shí)采用極小偏移距地震波激發(fā)—接收系統(tǒng)，進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量或在激震點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱位置上各設(shè)一檢波器，一次激發(fā)兩道接收。源檢距的大小根據(jù)最小探查深度而定，以目的體反射波不受先到的干擾波影響為準(zhǔn)。為提高分辨率，需激發(fā)和采集高頻信號(hào)。采用電聲轉(zhuǎn)換聲學(xué)發(fā)射裝置來激發(fā)頻率為幾千赫至幾十千赫的彈性波。由于可采集很寬頻率的反射信號(hào)，故可以用分窗口帶通濾波的方法處理資料，分別提取不同頻譜的信息，以突出不同規(guī)模的探查對(duì)象的反射圖像。

該法具有分辨率高、可避開許多干擾波、反射波能量高、探查巖溶和洞穴效果好、圖像簡(jiǎn)單易辨等優(yōu)點(diǎn)，但需占用開挖面工作時(shí)間且實(shí)測(cè)剖面較短。已在云臺(tái)山鐵路隧洞、南昆線鋁廠隧洞等工程中應(yīng)用，預(yù)報(bào)距離50～100m。

2.3.1.3 面波法

分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法在掌子面上放置一個(gè)激振器，用計(jì)算機(jī)控制激振器使其產(chǎn)生各種不同波長(zhǎng)的波面，用兩個(gè)拾振器同時(shí)接到不同方向的振動(dòng)波，由計(jì)算機(jī)算出每一種波長(zhǎng)的面波傳播速度，根據(jù)面波的勘測(cè)深度等于波長(zhǎng)的二分之一的原理，即可得到一組不同深度的面波平均速度的分布規(guī)律，不同介質(zhì)面波的傳播速度不同。從不同面波速度分布圖，就可以反應(yīng)出地質(zhì)構(gòu)造的不同介面，如斷層、地下水等特性變化。瞬態(tài)法由于排列長(zhǎng)度的關(guān)系未見實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。

此法需要的場(chǎng)地較小，適合在地下洞室開挖面上工作，探測(cè)深度也能滿足施工預(yù)報(bào)的要求，對(duì)資料的分析判斷可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，操作簡(jiǎn)便。已在南嶺隧洞中應(yīng)用，很清楚地發(fā)現(xiàn)距工作面幾米處的斷層破碎帶。但該法在開挖面上能探測(cè)多遠(yuǎn)的距離，尚需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

2.3.2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)

利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，由掌子面通過發(fā)射天線向前發(fā)射，當(dāng)遇到異常地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時(shí)發(fā)生反射并返回，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄下來，形成雷達(dá)剖面圖。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁波場(chǎng)強(qiáng)度以及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，既波的旅行時(shí)間、幅度、頻率和波形等，通過雷達(dá)圖像的處理和分析，可確定掌子面前方界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)前方巖體完整的情況下，可以預(yù)報(bào)30m的距離；當(dāng)巖石不完整或存在構(gòu)造的條件下，預(yù)報(bào)距離變小，甚至小于10m。雷達(dá)探測(cè)的效果主要取決于不同介質(zhì)的電性差異，即介電常數(shù)，若介質(zhì)之間的介電常數(shù)差異大，則探測(cè)效果就好。由于該法對(duì)空洞、水體等的反映較靈敏，因而在巖溶地區(qū)用得較普遍。缺點(diǎn)是洞內(nèi)測(cè)試時(shí)，由于受干擾因素較多，往往造成假的異常，形成誤判。此外它預(yù)報(bào)的距離有限，一般以不超過30m，且要占用掌子面的工作時(shí)間。

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，在鉆爆法施工的隧洞中使用相對(duì)較多，如太平驛水電站引水隧洞、海南高速公路東線大茅隧洞等工程中應(yīng)用，均取得了較好的應(yīng)用效果。由于探測(cè)時(shí)需要占用掌子面的工作時(shí)間，故在掌子面上測(cè)試時(shí)需要停機(jī)進(jìn)行，因而TBM法施工的隧洞中應(yīng)用時(shí)需作特殊研究解決。

2.3.3 紅外探水法

由于所有物體都發(fā)射出不可見的紅外線能量，該能量大小與物體的發(fā)射率成正比。而發(fā)射率的大小取決于物體的物質(zhì)和它的表面狀況。當(dāng)掌子面前方及周邊介質(zhì)單一時(shí)，所測(cè)得的紅外場(chǎng)為正常場(chǎng)，當(dāng)存在隱伏含水構(gòu)造或有水時(shí)，他們所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)要疊加到正常場(chǎng)上，從而使正常場(chǎng)產(chǎn)生畸變。據(jù)此判斷掌子面前方一定范圍內(nèi)有無含水構(gòu)造。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有兩種方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六條測(cè)線的交點(diǎn)測(cè)取9個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)這9個(gè)數(shù)據(jù)之間的最大差值來判斷是否有水；二是在已挖洞段按左邊墻、拱部、右邊墻的順序進(jìn)行測(cè)試，每5m或3m測(cè)取一組數(shù)據(jù)，共測(cè)取50m或30m，并繪制相應(yīng)的紅外輻射曲線，根據(jù)曲線的趨勢(shì)判斷前方有無含水。

掌子面上9個(gè)數(shù)據(jù)的最大差值大于10μw/cm2，就可以判定有水；紅外輻射曲線上升或下降均可以判定有水，其他情況判定無水。紅外探測(cè)的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞全空間、全方位的探測(cè)，儀器操作簡(jiǎn)單，能預(yù)測(cè)到隧洞外圍空間及掘進(jìn)前方30m范圍內(nèi)是否存在隱伏水體或含水構(gòu)造，而且可利用施工間歇期測(cè)試，基本不占用施工時(shí)間。但這種方法只能確定有無水，至于水量大小、賦水形態(tài)、具體位置沒有定量解釋。

2.4 地質(zhì)物探綜合分析法

要推動(dòng)隧洞超前預(yù)報(bào)水平，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，就必須將地質(zhì)調(diào)查方法與多種物探方法有機(jī)結(jié)合起來，對(duì)地質(zhì)物探資料進(jìn)行系統(tǒng)處理和綜合分析。其工作方法和主要內(nèi)容為：

⑴ 收集、熟悉地質(zhì)資料：了解工程區(qū)內(nèi)宏觀的地質(zhì)環(huán)境、大型構(gòu)造形跡的發(fā)育分布規(guī)律以及工程圍巖所處的具體構(gòu)造部位、巖體的結(jié)構(gòu)特征、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、巖體完整性、巖石（體）強(qiáng)度、地下水狀態(tài)等；掌握全隧洞的地質(zhì)背景，指出存在的不良地質(zhì)問題和地段，還要知道各段圍巖的穩(wěn)定程度、可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置、規(guī)模、性質(zhì)和防治措施，目的在于保證隧洞施工設(shè)計(jì)、施工方法和措施能順應(yīng)地質(zhì)情況的變化適時(shí)做出調(diào)整和修改。

⑵ 施工地質(zhì)編錄：對(duì)已開挖洞段地質(zhì)狀態(tài)作詳細(xì)真實(shí)的描述，可作為超前預(yù)報(bào)的依據(jù)，該內(nèi)容包括巖性、巖石堅(jiān)硬程度及完整情況、斷層及破碎帶、節(jié)理裂隙、地下水狀態(tài)、不良地質(zhì)現(xiàn)象等作編錄。

⑶ 圍巖特性測(cè)試：根據(jù)工程需要，對(duì)巖石物理力學(xué)特性進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)試，如巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度、巖石回彈值、巖體彈性模量、軟弱面剪切強(qiáng)度等，有時(shí)還應(yīng)進(jìn)行初始地應(yīng)力和二次應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)試等。上述數(shù)據(jù)是預(yù)報(bào)圍巖穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

⑷ 地球物理探測(cè)：根據(jù)巖體不同物理性質(zhì)量測(cè)一定距離以內(nèi)的物理力學(xué)參數(shù)的變化，據(jù)此判斷出隧洞工作面前方的地質(zhì)情況。采用多種物探儀器進(jìn)行超前探測(cè)，常用的物探方法有地震反射、聲波反射、地質(zhì)雷達(dá)、TSP203隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)等技術(shù)。

⑸ 地質(zhì)物探綜合分析：組成以地質(zhì)工程師為主物探及相關(guān)工程技術(shù)人員的施工地質(zhì)組，對(duì)上述地質(zhì)和物理探測(cè)資料進(jìn)行整理和綜合分析，最后做出施工面前方不良地質(zhì)問題的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

3 結(jié)語

以上較為詳細(xì)的介紹了當(dāng)前我國(guó)隧洞施工超前預(yù)報(bào)的現(xiàn)狀及其探測(cè)技術(shù)，實(shí)施超前預(yù)報(bào)應(yīng)首先收集和熟悉已有資料，為提高超前預(yù)報(bào)精度，有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方法進(jìn)行改進(jìn)，尤其是觀測(cè)方法應(yīng)全方位進(jìn)行，以獲得三維空間圍巖性態(tài)，提高定位精度。資料處理應(yīng)建立不同地質(zhì)界面的特征識(shí)別模式，提高判別準(zhǔn)確性。

由于隧洞工程超前預(yù)報(bào)工作目前尚有許多不成熟之處，因此需在實(shí)踐過程中不斷總結(jié)和提高。

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