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

王昊森 張衛(wèi)衛(wèi) 陳雷 汪久陽(yáng) 張鵬飛

摘要：文章介紹目前隧道施工中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容和重要意義，以鄭州至西峽高速公路堯山至欒川段木扎嶺隧道為例，介紹其超前地質(zhì)預(yù)報(bào)所使用的儀器和原理，以及具體的超前預(yù)報(bào)方法、原理以及地質(zhì)條件結(jié)論分析，并給出了相應(yīng)的隧道開挖施工建議。

關(guān)鍵詞：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；隧道施工；應(yīng)用技術(shù)

1引言

近年來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和道路交通事業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)的公路建設(shè)尤其是高速公路建設(shè)的里程不斷增加，且逐漸向我國(guó)山區(qū)等地勢(shì)較為險(xiǎn)峻和復(fù)雜的地區(qū)，因此在這些地區(qū)中進(jìn)行高速公路的建設(shè)就需要進(jìn)行隧道建設(shè)來針對(duì)這些地區(qū)的地形地貌等問題進(jìn)行解決。而在這些較為復(fù)雜的地質(zhì)圍巖中進(jìn)行隧道施工，容易遇到溶洞、富水區(qū)以及斷層破碎帶等，從而影響隧道施工的安全。這就需要通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)來提高對(duì)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，真正展現(xiàn)施工地區(qū)的地質(zhì)情況，為施工方案和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防方案的制定提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

2隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)的重要意義

2.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容

進(jìn)一步查清因前期地質(zhì)勘察工作的局限而難以探查的、隱伏的重大地質(zhì)問題，預(yù)報(bào)施工隧道掌子面前方的不良地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而正確指導(dǎo)隧道工程的安全施工。降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率和危害程度，確保隧道施工安全。由于進(jìn)行預(yù)報(bào)，能夠提前了解開挖面前方圍巖的地質(zhì)情況，并在施工中有針對(duì)性地采取預(yù)防措施，因此，能夠有效地控制突水、涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而避免或減少由此造成人員及設(shè)備的損傷等。為設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)的合理變更提供必要的依據(jù)。通過地質(zhì)預(yù)報(bào)，可以獲得開挖面前方存在的特殊地質(zhì)現(xiàn)象，以及巖層的物性和力學(xué)參數(shù)，為設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)的合理變更提供必要的依據(jù)。確保質(zhì)量，控制投資。有了地質(zhì)預(yù)報(bào)，能夠及時(shí)了解隧道圍巖存在的地質(zhì)情況，提前對(duì)軟弱巖層進(jìn)行預(yù)加固，合理變更施工參數(shù)，確保隧道連續(xù)掘進(jìn)，贏得施工時(shí)間。

2.2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要意義

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在分析既有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)素描、物探、超前地質(zhì)鉆探等手段，對(duì)隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置、產(chǎn)狀、規(guī)模等進(jìn)行探測(cè)、分析判斷及預(yù)報(bào)，并提出措施建議。為正確選擇開挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧道涌水、突水、圍巖失穩(wěn)等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，便于施工單位提前做好預(yù)案，保證施工安全。

3超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)分析

3.1工程概況

鄭州至西峽高速公路堯山至欒川段木扎嶺隧道為一座左、右線分離的雙向四車道高速公路隧道，位于河南省魯山縣與嵩縣交界處木扎嶺附近。隧道全廠6570m。其中二標(biāo)段隧道區(qū)屬侵蝕大起伏中山地貌，海拔在880～1150m，地形起伏不平，總體地勢(shì)南高北低，山勢(shì)陡峻，溝谷深切，山間植被茂盛，根系發(fā)達(dá)。本隧道區(qū)分?jǐn)?shù)華北地層區(qū)，區(qū)分上覆地層為第四系更新統(tǒng)的殘坡積碎石土，分布不連續(xù)，主要分布在坡腳處，下伏基巖為中生界花崗巖。隧址區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水和塊狀基巖裂隙水。松散巖類空隙水分布在更新統(tǒng)碎石土層，該層含水層富水性一般，含水量含降水影響大，地下水大多受大氣降水滲入補(bǔ)給。

3.2地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的儀器和技術(shù)原理

為進(jìn)一步查清隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，指導(dǎo)工程順利進(jìn)行；降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率和危害程度；為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)；為編制竣工文件提供地質(zhì)資料，因此需要在隧道開挖之前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。所采用的地質(zhì)預(yù)報(bào)儀器為美國(guó)勞雷公司的地質(zhì)雷達(dá)攜帶100MHz屏蔽天線，以及瑞士馬拉雷達(dá)進(jìn)行掌子面前方地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。其工作原理就是：高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射，經(jīng)過目標(biāo)體反射或透射，被接收天線所接收。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及集合形態(tài)而變化，由此通過對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下截面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。地質(zhì)雷達(dá)具有分辨率高、無損、操作簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于各種環(huán)境條件。

4超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作方法及其在隧道施工中的實(shí)際應(yīng)用

4.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

儀器設(shè)備的信號(hào)增益控制具有指數(shù)增益功能，模數(shù)轉(zhuǎn)換大于16bit，具有8次以上信號(hào)疊加功能，連續(xù)測(cè)量時(shí)，掃面速率大于每秒128次。通過試驗(yàn)選擇合適的儀器參數(shù)，采樣率宜選用天線中心頻率的6倍～10倍。支撐天線的器材應(yīng)選用絕緣材料，天線操作人員不應(yīng)佩戴金屬物件。測(cè)試過程中天線應(yīng)緊貼巖壁，水平測(cè)線高度基本一致，垂直測(cè)線應(yīng)保持鉛直?，F(xiàn)場(chǎng)采用連測(cè)時(shí)，應(yīng)勻速緩慢移動(dòng)天線，保證點(diǎn)距不大于20cm；采用點(diǎn)測(cè)時(shí)，點(diǎn)距宜為20cm，采樣時(shí)保持天線靜止。

4.2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原理

地質(zhì)預(yù)報(bào)的雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式進(jìn)行記錄，以波形或者灰度顯示探測(cè)雷達(dá)剖面圖。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)資料的解釋主要有數(shù)據(jù)處理和圖像解釋兩部分內(nèi)容。由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對(duì)波的不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得脈沖到達(dá)接收天線時(shí)波幅減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差異。另外，不同程度的各種隨機(jī)噪聲和干擾，為進(jìn)一步解釋提供清晰可變的圖像。對(duì)于異常的識(shí)別應(yīng)結(jié)合已知到未知，從而為識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)中遇到的有限目的體引起的異常，以及對(duì)各類圖像進(jìn)行解釋提供了依據(jù)。在本次預(yù)報(bào)中所使用的設(shè)備為美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR3000型地質(zhì)雷達(dá)，探測(cè)剖面如圖4.1所示。探測(cè)中使用了100MHz頻率天線，時(shí)窗分別設(shè)置為600ns。得出的木扎嶺隧道左線進(jìn)口ZK25+462掌子面素描圖如4.2所示。可以看出ZK25+462開挖掌子面圍巖巖性為微風(fēng)化花崗巖為主，塊狀構(gòu)造，圍巖巖體較完整，結(jié)構(gòu)結(jié)合面一般，穩(wěn)定性較好，受地質(zhì)構(gòu)造影響較大。

4.3預(yù)報(bào)區(qū)段的工程地質(zhì)條件和結(jié)論分析與建議

掌子面前方同相軸連續(xù)性一般，電磁波振幅較強(qiáng)；據(jù)此推測(cè)前方圍巖為微風(fēng)化花崗巖為主，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖巖體較完整，結(jié)構(gòu)結(jié)合面一般，穩(wěn)定性一般。綜合地質(zhì)工程師分析與判斷結(jié)果，預(yù)測(cè)里程樁號(hào)為ZK25+462～ZK25+492段的工程地質(zhì)條件如下：巖性為微風(fēng)化花崗巖為主；結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要為塊狀結(jié)構(gòu)；斷層破碎帶為前方無明顯破碎帶；無明顯地下水；未發(fā)現(xiàn)有較明顯巖溶發(fā)育情況。針對(duì)上述情況可以得出工程地質(zhì)條件為：圍巖以微弱風(fēng)化花崗巖為主，塊狀結(jié)構(gòu)。圍巖巖體較完整，結(jié)構(gòu)結(jié)合面一般，層理面是控制隧道圍巖穩(wěn)定的主要因素，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響大。總體上，隧道前方的圍巖較穩(wěn)定，拱頂無支護(hù)時(shí)拱頂易掉塊，所以開挖后應(yīng)及時(shí)支護(hù)。周邊地質(zhì)情況與隧道內(nèi)的圍巖基本相同。通過以上分析可以預(yù)測(cè)里程樁號(hào)為ZK25+462～ZK25+492段掌子面前方0～30m范圍為Ⅲ級(jí)圍巖。建議該段范圍嚴(yán)格按照原設(shè)計(jì)圖紙施工，采取“短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、緊加固、勤量測(cè)、早封閉”等技術(shù)措施以確保施工安全；加強(qiáng)洞內(nèi)拱頂下沉、周邊收斂監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率1～2次/天，隨時(shí)掌握洞內(nèi)拱頂?shù)姆€(wěn)定性，根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整開挖進(jìn)尺等施工參數(shù)。

5結(jié)語

在對(duì)隧道施工中所使用的超前預(yù)報(bào)方法的內(nèi)容和意義進(jìn)行介紹之后，了解此技術(shù)可以對(duì)隧道地質(zhì)安全事故的發(fā)生概率進(jìn)行有效降低，從而對(duì)于確保施工人員和隧道施工的安全具有重要作用。而且需要在隧道施工中采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)之前根據(jù)隧道工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來進(jìn)行選擇，嚴(yán)格控制操作流程來確保探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有效確保隧道施工的質(zhì)量和安全。

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