隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析方法研究

■姚志國

（廣東核力工程勘察院廣東廣州510800）

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析方法研究

■姚志國

（廣東核力工程勘察院廣東廣州510800）

隧道施工過程中，存在的風(fēng)險(xiǎn)因素比較多，為了保證施工的安全性，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，分析即將施工的隧道的地質(zhì)情況。以往的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，多采用單一的方法進(jìn)行，但分析時由于方法存在一定的不足之處，從而導(dǎo)致分析結(jié)果存在一定的局限性，為了避免這一問題，本文在綜述地質(zhì)超前預(yù)報(bào)目的及內(nèi)容的基礎(chǔ)上，分析了常用方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并構(gòu)建了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)綜合分析體系。

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)綜合分析方法

0 前言

隨著隧道施工的發(fā)展，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作也取得了一定的進(jìn)步，原有的單一預(yù)報(bào)方法逐漸的變?yōu)榫C合性的預(yù)報(bào)方法，有效的避免了單一預(yù)報(bào)方法中存在缺點(diǎn)，提升了分析與預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，較為正確的了解即將施工段的地質(zhì)情況，采取相應(yīng)的施工措施，從而促使隧道施工順利的開展，并保證施工的安全性。

1 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的目的及內(nèi)容

1.1 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的目的

隧道施工時，影響施工安全性的因素比較多，一旦發(fā)生安全事故，不僅影響施工人員的人身安全，同時也影響施工的進(jìn)度。通過地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的開展，可了解地質(zhì)情況，保障施工的順利開展。地質(zhì)超前預(yù)報(bào)實(shí)施時，異常情況可以及時的發(fā)現(xiàn)，掌子面前方存在不良地質(zhì)時，可以預(yù)報(bào)不良的位置，并預(yù)報(bào)地質(zhì)的產(chǎn)狀、是否含水等，促使施工隊(duì)伍以此為依據(jù)，對施工方案進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，避免突水、突氣、突泥的發(fā)生，保證施工的安全性。通過預(yù)報(bào)，在較短距離內(nèi)，可分析掌子面前方的地質(zhì)條件、圍巖類別等，指導(dǎo)施工選擇正確的施工方法，提升隧道施工的科學(xué)性，保證安全性。

1.2 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的內(nèi)容

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中，預(yù)報(bào)的內(nèi)容主要包含六項(xiàng)：第一，預(yù)報(bào)不良地質(zhì)及災(zāi)害地質(zhì)，掌子面前方較短距離（15～100m）內(nèi)，可準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)災(zāi)害地質(zhì)，如突水地質(zhì)，并預(yù)報(bào)災(zāi)害地質(zhì)的覆蓋范圍、規(guī)模等，指導(dǎo)施工，對施工計(jì)劃進(jìn)行合理的調(diào)整；第二，預(yù)報(bào)水文地質(zhì)，隧道施工中會出現(xiàn)涌水，水量的大小、涌水的變化規(guī)律可有效的預(yù)報(bào)；第三，預(yù)報(bào)斷層及破碎帶，將斷層的位置、性質(zhì)、充填物等預(yù)報(bào)出來，并預(yù)報(bào)充水性及穩(wěn)定程度，提出施工意見；第四，預(yù)報(bào)圍巖類別，在隧道開挖面，前方會存在圍巖，可將其具體的類別及穩(wěn)定性預(yù)報(bào)出來，對施工設(shè)計(jì)提出修改意見[1]；第五，預(yù)報(bào)有害氣體，隧道內(nèi)部存在有害氣體，通過超前預(yù)報(bào)方法，將其含量、成分等預(yù)報(bào)出來，避免有害氣體造成安全事故；第六，預(yù)報(bào)膨脹巖，隧道內(nèi)部膨脹巖的膨脹力過大時，會影響安全性，通過超前地質(zhì)預(yù)測，對其膨脹力及膨脹量進(jìn)行預(yù)測，及早的采取防治措施。

2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用的方法

2.1 地質(zhì)調(diào)查法

在地質(zhì)調(diào)查法中，地質(zhì)理論及相應(yīng)的作圖法是該方法的依據(jù)，在現(xiàn)有的隧道勘察資料、地質(zhì)相關(guān)的調(diào)查資料等材料的基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)的對比和分析手段，比如地層層序?qū)Ρ取⑺淼纼?nèi)不良地質(zhì)臨近前兆分析等，將開挖面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行合理的推測，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)報(bào)[2]。利用此種方法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)時，如果隧道的埋深并不深，而且地質(zhì)構(gòu)造比較簡單時，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性比較高，但部分隧道條件并非如此時，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性無法有效保證。

2.2 超前鉆探法

隧道施工中，在開挖面通過鉆機(jī)鉆探，將相應(yīng)的地質(zhì)信息獲取，此種方法即為超前鉆探法，無論隧道地質(zhì)條件為何種，都可以利用此種方法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，尤其是富水巖溶發(fā)育區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件中，預(yù)報(bào)具有良好的準(zhǔn)確性。通過鉆孔的進(jìn)行，可將鉆探部位的地層巖性等相關(guān)情況直觀的反映出來。不過，利用超前鉆探法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)時，需要比較高的成本費(fèi)用，且需要的預(yù)報(bào)時間比較長，在一定程度上影響施工進(jìn)度，且鉆孔所反映出來的相關(guān)信息僅能代表某一點(diǎn)，可能會存在漏報(bào)溶洞的可能。

2.3 超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法

在超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法中，地質(zhì)情況的預(yù)報(bào)在超前導(dǎo)坑中反映，依據(jù)地質(zhì)理論和作圖法，將正洞地質(zhì)條件預(yù)報(bào)出來，此種超前預(yù)報(bào)方法包含兩種，一種是平行超前導(dǎo)坑法，一種是正洞超前導(dǎo)坑法，隧道施工中先開挖一部分，依據(jù)該部分的地質(zhì)條件對即將開挖部分的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)[3]。無論地質(zhì)情況具體為何種，此種方法都比較適用，預(yù)報(bào)未開挖隧道、煤層、斷層時，準(zhǔn)確性比較高，但對于巖溶，可能會存在預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確的情況。

2.4 物探法

在探測對象與相鄰介質(zhì)之間，物性差異存在，且規(guī)模足夠被探測時，可采用物探法。采用物探法預(yù)報(bào)地質(zhì)條件時，如果被探測對象的地質(zhì)復(fù)雜性比較高，而且存在比較多的干擾因素時，被探測對象的物性條件應(yīng)該被充分的利用起來，實(shí)現(xiàn)綜合物探。物探法中比較常用的包含三種：

第一，可控源音頻大地電磁法。在此種方法中，地下巖石采用人工場源激發(fā)，電流通過時，電位差形成，不同供電頻率傳來時，通過接收，形成一次場電位，底層中，場的頻率不同時，具備不同的傳播深度，由此，深度與頻率之間形成一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，巖石不同時，具備的電導(dǎo)率不同，電流通過時，形成不同的電位和磁場[4]。此種方法具有比較大的勘察深度范圍，且具備比較高的分辨力，良好的低阻敏感性，強(qiáng)大的抗干擾能力，靈活設(shè)計(jì)，但此方法使用時，存在靜態(tài)效應(yīng)等缺點(diǎn)。該方法野外工作時，布置圖如圖1。

圖1 可控源音頻大地電磁法野外工作布置圖

第二，高密度電法。此種方法中，起到基礎(chǔ)性的作用為巖石的電性差異。實(shí)際上，此種方法為陣列勘探方法，運(yùn)用的過程中，在測點(diǎn)上將電極放置即可，通轉(zhuǎn)換開關(guān)和電測儀，自動采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)中的電性差異，分析地質(zhì)情況。但此種方法在使用的過程中，地形、旁側(cè)對其使用效果影響比較大，探測范圍存在一定的限制性，多解性。

第三，彈性波反射法。在不均勻地質(zhì)體中，地震波和聲波會形成相應(yīng)的反射波，基于這一特性，該方法通過人工激發(fā)的方式，利用反射波對隧道開挖面前面的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。地層界線的劃分、地質(zhì)構(gòu)造的查找、不良地質(zhì)的探測中，比較適合采用彈性波反射法，利用彈性波反射法預(yù)報(bào)時，使用的時間比較短，成本少，比較少的影響隧道施工，但在實(shí)施過程中，采集條件產(chǎn)生的影響比較大，降低數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[5]。彈性波反射法的探測圖如圖2。

圖2 彈性波反射法探測圖

3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析方法

3.1 綜合預(yù)報(bào)原則

隧道施工中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析體系構(gòu)建時，應(yīng)堅(jiān)持五項(xiàng)原則，具體如下：第一，以地質(zhì)分析為核心，地質(zhì)調(diào)查中，主要的手段包含兩種，一種為地質(zhì)地面調(diào)查，一種為掌子面地質(zhì)調(diào)查，必要時，采用超前鉆孔，同時，超前預(yù)報(bào)中，核心性的內(nèi)容為地質(zhì)分析，在整個預(yù)報(bào)工作，要始終堅(jiān)持這一核心；第二，綜合物探與地質(zhì)分析相結(jié)合，利用綜合物探法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作時，還應(yīng)該緊密的結(jié)合地質(zhì)分析工作；第三，洞內(nèi)外相結(jié)合，地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，不僅要預(yù)報(bào)洞內(nèi)地質(zhì)，還應(yīng)該預(yù)報(bào)洞外地質(zhì)，在這二者中，主要為洞內(nèi)預(yù)報(bào)，可采用綜合物探法、超前鉆探法等，輔助為洞外預(yù)報(bào)，可采用地面地質(zhì)調(diào)查法[6]；第四，長短預(yù)報(bào)結(jié)合，預(yù)報(bào)時，以長距離為指導(dǎo)，精確預(yù)報(bào)短距離的地質(zhì)情況，長距離預(yù)報(bào)時，可采用地質(zhì)地面調(diào)查法，短距離預(yù)報(bào)時，可利用地質(zhì)雷達(dá)法、掌子面素描法等；第五，物性參數(shù)互補(bǔ)，預(yù)報(bào)物性參數(shù)時，應(yīng)綜合利用物探法中的多種方法，相互之間發(fā)揮補(bǔ)充配合的作用，提升預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

3.2 綜合預(yù)報(bào)工作體系

在上述五項(xiàng)具體原則的指導(dǎo)下，構(gòu)建出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析工作體系，形成工作路線圖（如圖3）。以隧道施工前的勘察設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行詳細(xì)的研究，之后，通過地面地質(zhì)調(diào)查方法，將斷層、不良地質(zhì)的大致位置確定，并預(yù)測其與隧道軸線交點(diǎn)的位置，巖層、斷層的產(chǎn)狀進(jìn)行科學(xué)的評估，估測地下水富存的區(qū)域[7]。這些工作完成之后，在宏觀層面上，形成預(yù)測地質(zhì)分析結(jié)果，結(jié)合掌子面地質(zhì)調(diào)查方法，并選擇適當(dāng)?shù)奈锾椒椒?，保證物性參數(shù)互補(bǔ)原則的基礎(chǔ)上，對隧道的地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)測，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)報(bào)，對掌子面前面的詳細(xì)地質(zhì)消息進(jìn)行較為全面的了解。最后，依據(jù)預(yù)報(bào)及預(yù)測的結(jié)果，確定具體的施工工序、方法等，提升施工的安全性。

圖3 綜合預(yù)報(bào)工作體系工作路線圖

3.3 綜合預(yù)報(bào)組織結(jié)構(gòu)

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合分析體系中，組織結(jié)構(gòu)的作用十分重要，施工現(xiàn)場中，組織結(jié)構(gòu)的主體確定為施工單位，囊括眾多的相關(guān)專家，兩組人員平行的進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)及咨詢、分析。施工隊(duì)伍施工時，注意對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料進(jìn)行相應(yīng)的收集，而資料的來源為各種預(yù)報(bào)方法的預(yù)報(bào)結(jié)果，資料收集完成后之后，綜合性的分析隧道的地質(zhì)條件，并整理成預(yù)報(bào)初稿，將該稿件交給專家組[8]。專家組中的專家就初稿進(jìn)行綜合分析，形成意見，反饋給施工隊(duì)伍。施工隊(duì)伍收到之后，討論、分析專家組的意見，當(dāng)結(jié)果出現(xiàn)分歧時，可以利用超前鉆探法，結(jié)合鉆探的結(jié)果，形成預(yù)報(bào)報(bào)告。依據(jù)預(yù)報(bào)報(bào)告，結(jié)合監(jiān)理會等相關(guān)組織，經(jīng)過分析、論述之后形成施工決議，應(yīng)用決議來指導(dǎo)施工。通過組織結(jié)構(gòu)的綜合性分析與探討，最終形成了科學(xué)性的施工建議，由此一來，施工的安全性得到良好的保證，施工的進(jìn)度也可有效控制。

4 結(jié)論

隧道施工中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)有著十分重要的作用，通過綜合預(yù)報(bào)工作體系的構(gòu)建，避免了單一預(yù)報(bào)方法存在的不足之處，充分的發(fā)揮各種預(yù)報(bào)方法的優(yōu)點(diǎn)，提升超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的準(zhǔn)確性，從而充分發(fā)揮預(yù)報(bào)對施工方法的指導(dǎo)性作用，保證隧道施工的安全性，并保證隧道施工在工期內(nèi)順利的完成，提升施工隊(duì)伍的經(jīng)濟(jì)效益。

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P624[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-6-86-2

姚志國（），男，本科，工程師，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及工程勘察等。