對超前地質(zhì)預報方法的認識

文/新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院 張永達

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，基礎建設尤其是隧道建設發(fā)展得更加迅猛，遇到的地質(zhì)問題也越來越多、越來越復雜。大量的施工實踐證明，在隧道施工中對掌子面前方圍巖進行超前地質(zhì)預報是非常有必要的，不僅可以把地質(zhì)災害的影響最小化，還可以提前采取措施遏制不良地質(zhì)引發(fā)的災難事故，這對施工進度以及施工過程中的成本控制都有重要意義。

背景

進行隧道建設之前需要進行隧道工程設計，而設計的基本依據(jù)就是地質(zhì)勘察資料。在我國現(xiàn)有的已經(jīng)運營的隧道工程中，顯現(xiàn)的各種問題包括：勘察地質(zhì)的儀器不統(tǒng)一，準確性無法保證；人員素質(zhì)、技術能力參差不齊；甚至在工作態(tài)度上都有待提高。種種原因造成隧道設計的地質(zhì)依據(jù)不過關，無法滿足工程實際需要，帶來一系列無法預測的地質(zhì)問題，讓施工人員措手不及，且沒有相應的施工處置預案，大量的工程實例及工程經(jīng)驗均顯示了這一問題。由于地質(zhì)資料勘察不到位導致各種施工災難頻發(fā)，造成的結(jié)果是工期延長、費用增加、施工建設人員的安全受到威脅。為了保證施工期間的人員安全以及工程質(zhì)量，降低不必要的損失，需要采用能有效滿足工程需要的各種探測手段，對隧道開挖前方的掌子面圍巖情況進行預測，并依次進行必要的調(diào)整或加固措施，保證工程建設的質(zhì)量和安全?？v使無法完全避免事故發(fā)生，但也要盡可能降低事故發(fā)生的可能性，或者給施工人員一個提示，以便進行安全保護。

超前地質(zhì)預報的意義及發(fā)展情況

超前地質(zhì)預報的意義

隨著我國綜合國力的提高，經(jīng)濟水平的躍遷，每年都會有近萬億的資金投入到基礎建設中，公路、鐵路、機場、水利等公共基礎設施不斷完善，路網(wǎng)密度不斷加大，路線等級不斷提高，并且不斷向西部山川丘陵地區(qū)進軍，高速公路里程一年比一年多。由于線形要求很高，為了達到指標要求，不得不增大橋隧比，隧道的數(shù)量和里程也不斷增大。為了避免對沿途的環(huán)境造成重大破壞，修建隧道就成了一個適應時代發(fā)展、滿足環(huán)境需求的手段。

在地下或山體中開挖隧道時，掌子面前方的巖體情況肉眼是無法辨別的，如果在隧道的開挖前方出現(xiàn)斷層破碎帶、淤泥帶、溶洞等災害性的地質(zhì)狀況，而施工中又不可知時，很容易造成隧道坍塌、涌水、突泥等狀況的發(fā)生，給施工人員造成致命的威脅。在高山峽谷、大埋深等地質(zhì)條件復雜地區(qū)，這種情況會變得更加嚴重和頻繁。這類地質(zhì)情況對施工人員、機械及施工進度和費用都將產(chǎn)生重大影響，應該盡量降低或者消除這種情況。要做到這一點就要對隧道所在的巖體有一個充分的了解，并根據(jù)掌握的情況對隧道施工過程中可能發(fā)生的情況進行相應的預加固措施，從而保證施工能夠安全有效地快速進行，防止發(fā)生不必要的險情。巖體情況復雜多變，并且肉眼不可見，為此應采用各種行之有效的措施對巖體進行勘察，但是單單依靠現(xiàn)在的工程勘探是無法滿足施工精度要求的，而為了滿足施工精度要求，隧道的超前地質(zhì)預報就成了必不可少的環(huán)節(jié)，并且作用重大，必須高度重視。

超前地質(zhì)預報的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展

在隧道施工建設期間進行超前地質(zhì)預報的運用時間比較早，歷經(jīng)了地質(zhì)法、超前平行導坑法、超前水平鉆孔取樣分析、波反射法四個階段。例如地質(zhì)法的使用主要就是通過分析預判施工時掌子面的地質(zhì)條件，并由此推斷施工掌子面前方可能存在的斷層、巖體分界面、圍巖穩(wěn)定性及可能失穩(wěn)的類型。

常用的隧道超前地質(zhì)預報方法

地震波探測法

地震波地質(zhì)探測預報法屬于地球物理手段探測方法中的一種，采用了回聲測量原理：通過在隧道兩側(cè)墻壁的鉆孔內(nèi)放入少量炸藥，起爆產(chǎn)生地震波。地震波沿巖體不斷向前傳播，并且是以面波的形式存在，當?shù)卣鸩ㄔ趥鞑ミ^程中遇到巖體裂隙、斷層、不同巖體性質(zhì)的界面時，會有一部分在界面處反射過來，剩余的部分會透過接觸的界面繼續(xù)向前方傳遞，反射回來的信號會被預先安裝在墻壁兩側(cè)的檢波器接收到。然后借助相應的分析軟件對接收到的信號進行分析，依據(jù)相應的特征情況判斷巖體前方是否存在如斷層裂隙帶、溶洞等不良地質(zhì)的相對位置、大小規(guī)模、產(chǎn)狀等情況。

地質(zhì)雷達預報法

利用地質(zhì)雷達進行地質(zhì)超前預報，就是通過儀器發(fā)射的高頻電磁脈沖波在巖體等介質(zhì)中傳播時，遇到不同性狀的介質(zhì)層面會有反射信號，反射回來的高頻寬帶短脈沖波會被相應的接收天線接收，從而達到地質(zhì)預報的效果。例如巖體之間存在水、裂隙、溶洞等介質(zhì)層面時，會造成巖體兩側(cè)界面的介電常數(shù)有很大差異，而這種差異易于區(qū)分，從而可以據(jù)此推斷出隧道前方的巖體地質(zhì)情況，以達到超前地質(zhì)預報所需要的結(jié)果，為后續(xù)施工提供有實際意義的指導。

超前鉆探法

該方法是預報不良地質(zhì)最直接有效的手段。利用鉆孔機器在施工掌子面前方按照一定的布置形式打孔，通過鉆孔并分為取芯和不取芯兩種鉆探法進行地質(zhì)預報。不取芯鉆探操作簡單，花費的時間較短，由于無需進行取芯分析，所以對鉆孔的要求不太高，通過鉆探時的鉆孔速度和出水量的大小規(guī)模，來依次推斷出不良地質(zhì)體的相應特征。然而該方法有一定的限制，雖然在斷層水的地質(zhì)可以取得良好的鉆探效果，但在巖溶隧道中僅依靠鉆孔速度和相應的出水量，很難將暗河、巖溶、淤泥等情況區(qū)分出來，需要進行必要的取芯分析。

結(jié)語

目前對于隧道施工期間的超前地質(zhì)預報，不僅僅是對于某一種超前地質(zhì)預報方法的簡單運用，通過對地質(zhì)雷達、TSP、紅外線探測器的優(yōu)缺點，及暫時無法克服的問題可知，在工程實際運用中，一種方法的使用是無法讓工程人員完全掌握地質(zhì)情況的。地質(zhì)雷達易受地下管線、巖面的影響，達不到工程的要求。地震反射類的如TSP得到的數(shù)據(jù)結(jié)果多樣性受到很多因素干擾，不易消除。同時對于原始數(shù)據(jù)的取得過程，由于以非地質(zhì)專業(yè)的人員為主，有一定的局限性?，F(xiàn)在都是在實際工程中通過多種方法的聯(lián)合使用、長短結(jié)合、優(yōu)勢互補，形成總的超前地質(zhì)預報體系，以減少測量過程中的不確定性和錯誤，提高預報的準確性。

在以后的實際工程中要更加整體性和系統(tǒng)性地運用地質(zhì)預報方法，重視地質(zhì)預報的整體性和系統(tǒng)性，這已經(jīng)是實際工程中不可缺少的必要環(huán)節(jié)。在實際運用中要加強各種方法間的配合，給地質(zhì)勘查預報留有足夠時間，對地質(zhì)預報中的異常情況要提高風險意識。若以后研發(fā)出一些地質(zhì)預報結(jié)果處理的集成軟件，將會大大提高預報的便利性，對施工有更好的指導作用。