超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在復(fù)雜地質(zhì)隧洞開挖中的應(yīng)用

馬亮

（中國水利水電第十六工程局有限公司 福建福州 350000）

引言

當(dāng)前國內(nèi)隧道工程廣泛應(yīng)用，建設(shè)過程中經(jīng)常遇到復(fù)雜的地質(zhì)條件，巖溶、過江或者過海隧道經(jīng)常出現(xiàn)這些隧道在過去被視為進(jìn)去，現(xiàn)如今隨著技術(shù)的發(fā)展也被逐漸開發(fā)。應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)開發(fā)時(shí)可以有效對(duì)泥石流、塌方、涌水突泥和瓦斯爆炸進(jìn)行災(zāi)難預(yù)報(bào)，有效防止地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)，降低災(zāi)害發(fā)生激烈，保證人身安全，提高施工效率。

1 復(fù)雜地質(zhì)隧洞開挖中應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要性分析

復(fù)雜地質(zhì)隧洞開挖前期階段，由于勘察精度和技術(shù)手段限制，勘察時(shí)間受到影響，實(shí)際地質(zhì)情況與勘測(cè)之間的差距會(huì)比較大，這樣就導(dǎo)致復(fù)雜地質(zhì)隧洞開挖工程對(duì)地質(zhì)條件不夠了解，實(shí)際施工展開后具有較大的盲目性，一旦哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將會(huì)發(fā)生無法預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害，這種災(zāi)害是突發(fā)性的，且損害嚴(yán)重，對(duì)人員造成生命威脅，也對(duì)施工造成質(zhì)量威脅。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為科學(xué)合理的監(jiān)控手段，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能夠在施工過程中對(duì)可能存在的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，幫助施工人員在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題存在，一旦發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)場(chǎng)就會(huì)立即知曉，為變更安全設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，并為復(fù)雜地質(zhì)隧洞開挖施工提供安全有效的措施建議，施工人員也能得到有效的數(shù)據(jù)信息，全面保護(hù)施工的安全性與可靠性[1]。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在復(fù)雜地質(zhì)隧洞開挖中常見方法與優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前我國超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在復(fù)雜地質(zhì)隧洞開挖中常見的使用方法主要有地質(zhì)分析法和物探法，其中物探法分為隧道地震波法和地質(zhì)雷達(dá)法，地質(zhì)分析法是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，物探法是使用物探的方式獲得地質(zhì)信息情況，再對(duì)地質(zhì)加以分析后進(jìn)行實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2.1 地質(zhì)分析法

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中地質(zhì)分析法是指根據(jù)地質(zhì)基本理論和地質(zhì)作圖法，結(jié)合當(dāng)前復(fù)雜地質(zhì)隧洞開挖已經(jīng)有的勘察資料和地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查信息，對(duì)地層的層序進(jìn)行對(duì)比，對(duì)地層分界線與構(gòu)造線進(jìn)行分析，根據(jù)相關(guān)幾何參數(shù)情況加以研究，推測(cè)施工位置當(dāng)前地質(zhì)情況。地址作圖，指的是通過地質(zhì)表面或者超前導(dǎo)洞揭露的地層、巖性接觸面以及構(gòu)造面的走向與傾向，利用作圖法對(duì)地下和外面的位置進(jìn)行展示；地質(zhì)素描也是地質(zhì)分析法的重要內(nèi)容，這種方法是要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)素描的時(shí)候，建議對(duì)掌子面或者附近進(jìn)行科學(xué)的觀察，從地質(zhì)巖性與完整性、出水量、地質(zhì)軟硬程度以及地層的實(shí)際顏色幾方面加以研究，多角度掌握當(dāng)前地質(zhì)情況[2]。

2.2 隧道地震波法

隧道地震波法應(yīng)用比較普遍，地震波在不均勻的地質(zhì)層中會(huì)有著不同的反射波，隧道地震波法經(jīng)常使用爆破方式傳播地震波信號(hào)，通常情況下只需要使用小藥量就能實(shí)現(xiàn)爆破，不同的地質(zhì)巖層界面都可以被反射地震波信號(hào)，然后施工人員使用高精度的接收器接收得到的地震波信號(hào)，在計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用下對(duì)地震反射波加以研究和分析，就能夠得到前方地質(zhì)情況。隧道地震波法屬于多波多分量探測(cè)技術(shù)，能夠科學(xué)檢測(cè)出掌子面前方巖性變化情況，隧道地震波法適用于不連續(xù)面以及夾層軟弱地區(qū)的探測(cè)。使用隧道地震波法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的時(shí)候，施工人員應(yīng)該在復(fù)雜地質(zhì)隧道的一邊沿著直線布置多個(gè)風(fēng)鉆孔，將小分量的炸藥放在風(fēng)鉆孔中，并且在左邊和右邊兩側(cè)鉆取兩個(gè)檢波器孔。然后，按照順序激發(fā)各個(gè)炸藥，炸藥帶來的地震波產(chǎn)生，地震波會(huì)以球面波形的模式進(jìn)行傳播，在掌子面的前方任一阻抗差異界面反射的信號(hào)，以及直達(dá)波的信號(hào)被兩個(gè)檢波器成功接收[3]。

隧道地震波法有著明顯的優(yōu)勢(shì)，該方法的探測(cè)距離比較長(zhǎng)，最低可達(dá)100m，最高150m，應(yīng)該隧道地震波法時(shí)施工干擾比較小，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候只需要兩個(gè)小時(shí)就能完成。而且隧道地震波法探測(cè)精度比較高，對(duì)于不連續(xù)面和斷層面能夠得到精準(zhǔn)的探測(cè)信息，是目前應(yīng)用最廣的探測(cè)手法，但是隧道地震波法對(duì)巖溶或者不規(guī)則體的探測(cè)效果不是很明顯，隧道地震波法的應(yīng)用要根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況加以分析。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法也是物探法的一種，地質(zhì)雷達(dá)法是利用超高頻電磁波實(shí)現(xiàn)探測(cè)的，對(duì)地下介質(zhì)分布情況加以分析和探測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)法工作原理很簡(jiǎn)單，就是通過發(fā)射機(jī)從掌子面或鉆孔中發(fā)射一定頻率和脈沖的電磁波訊號(hào)，電磁波訊號(hào)在遇到出現(xiàn)異常地質(zhì)情況的時(shí)候，就會(huì)變成特定的反射信號(hào)，這些特定反射信號(hào)能夠通過接收天線實(shí)現(xiàn)接收，并輸入接收機(jī)中，接收機(jī)完成記錄工作后形成雷達(dá)剖面圖，人們根據(jù)圖中的信息得知當(dāng)前施工處的地質(zhì)異常，從而尋找有效的方式解決問題，省時(shí)省力，且保證了施工的安全性。對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)法的數(shù)據(jù)分析，施工人員能夠從反射信號(hào)加以研究，根據(jù)得到的信號(hào)判斷是否有被測(cè)目標(biāo)存在，這是因?yàn)槭褂玫刭|(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，電磁波傳播的路徑、波形以及強(qiáng)度都會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)的電磁波特性與幾何形態(tài)的變化而變化。施工人員根據(jù)得到的電磁波時(shí)間、頻率以及幅度，對(duì)雷達(dá)剖面圖加以分析，確定掌子面前方地質(zhì)界面和目標(biāo)物體的距離情況、位置信息以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

使用地質(zhì)雷達(dá)法的優(yōu)勢(shì)明顯，和其他方法比較，地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)空洞和巖洞的探測(cè)更加靈敏，探測(cè)的精度比較高且速度快，每次探測(cè)的時(shí)候時(shí)間只需要20min，地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)施工的干擾比較小。但是地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)距離比較短，有效探測(cè)距離高于10m，低于15m，施工人員不得不使用地質(zhì)雷達(dá)法頻繁進(jìn)行探測(cè)，因此地質(zhì)雷達(dá)法的探測(cè)工作量很大。探測(cè)布置會(huì)因?yàn)樗矶磧?nèi)通風(fēng)管、高壓風(fēng)管、水管以及供電線受到影響，地質(zhì)雷達(dá)法得到的探測(cè)效果也會(huì)因?yàn)槭┕こ跗谥ёo(hù)以及施工二次襯砌中金屬物受到影響，除此之外，施工中掌子面如果凹凸不平也會(huì)影響到地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)的結(jié)果。

11月6日，青島地鐵1號(hào)線海底隧道順利貫通。作為國內(nèi)首條地鐵海底隧道，也是國內(nèi)最深的海底隧道和最長(zhǎng)的地鐵海底隧道。為控制風(fēng)險(xiǎn)，施工單位組合了世界上最先進(jìn)的地質(zhì)探測(cè)和預(yù)報(bào)手段，通過系統(tǒng)性的對(duì)比和分析，消除漏判和誤判，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)預(yù)判和辨識(shí)，在此基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)采取針對(duì)性的預(yù)處理措施，從而使風(fēng)險(xiǎn)得到超前防控。主要探測(cè)和預(yù)報(bào)手段有TSP法、高分辨電法、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、地質(zhì)素描、超前探孔、超前地質(zhì)取芯鉆孔等方法。超前地質(zhì)探孔采用長(zhǎng)短結(jié)合的組合方式，并納入工序?qū)嵤┕芾?，長(zhǎng)孔取芯采用日本多功能水平地質(zhì)鉆機(jī)，每次鉆孔長(zhǎng)度150m，推進(jìn)速度6m/min；短孔鉆進(jìn)采用阿特拉斯地質(zhì)鉆機(jī)，每次鉆孔30m，搭接8m，有效距離22m，循環(huán)推進(jìn)；采用孔內(nèi)高精度的成像技術(shù)和孔內(nèi)地層CT法，結(jié)合巖芯綜合判斷地質(zhì)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)可能引發(fā)隧道地質(zhì)災(zāi)難的不良地質(zhì)體（帶）的位置、規(guī)模和性態(tài)，確保零失誤。

3 總結(jié)

總而言之，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與地質(zhì)勘探技術(shù)的進(jìn)步，本文以分析復(fù)雜地質(zhì)情況下隧洞施工中各項(xiàng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法應(yīng)用，分析各種探測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)存在，分析超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)隧洞施工安全的突出作用，從而全面實(shí)現(xiàn)安全施工，保證施工人員人身安全，實(shí)現(xiàn)工程的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。