超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在隧道不良地質(zhì)方面的應(yīng)用

黃小東，王 力

(四川仁沐高速公路有限責任公司，四川 成都 610047)

0 前 言

隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在快速推進，在山區(qū)公路方面，大量的隧道將會不斷地涌現(xiàn)。隧道施工過程常常會遇到不良地質(zhì)，如涌突水、碳酸鹽溶洞、掌子面塌方、瓦斯等，嚴重威脅到作業(yè)人員的生命財產(chǎn)安全，也有可能造成水資源枯竭、地表塌陷等環(huán)保問題。近年以來，隧道超前地質(zhì)預(yù)報作為隧道施工的重要組成部分被越來越多的人們認可，但是隧道超前地質(zhì)預(yù)報所涉及知識內(nèi)容極為廣泛，特別是地質(zhì)知識和物探技術(shù)。隨著人們對施工安全方面越來越重視，超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)將會在隧道施工中得到了廣泛運用。

1 隧道不良地質(zhì)特征

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，從1988年以來我國鐵路隧道建設(shè)施工中大約有70%的隧道均受到不同程度水害的影響，其中有31座隧道涌水量已經(jīng)超過1萬m3/d，造成工期延誤和財產(chǎn)損失。由此可見，隧道不良地質(zhì)嚴重制約著隧道設(shè)計、施工，如何提前預(yù)測隧道施工過程中的不良地質(zhì)成為隧道施工過程中急需解決的關(guān)鍵性問題。隧道不良地質(zhì)主要包含有隧道中涌水、泥沙、瓦斯突出、瓦斯爆炸、碳酸鹽溶洞、構(gòu)造斷層、破碎帶及因地應(yīng)力引起的巖爆等地質(zhì)災(zāi)害，同時不良地質(zhì)也會帶來次生生態(tài)環(huán)境破壞，如隧道洞內(nèi)因圍巖變形失穩(wěn)塌方、涌突水(泥)導(dǎo)致的地表塌陷以及地表水枯竭等。

2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報及研究近況

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)簡介

隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)一直備受關(guān)注，全世界各個國家都將這項技術(shù)作為重點研究對象。國內(nèi)外對隧道超前地質(zhì)預(yù)報的方法主要包括三大類，地質(zhì)方法、物探方法以及鉆探方法。

1)地質(zhì)方法：地質(zhì)方法是最傳統(tǒng)的方法，主要是運用地表地質(zhì)工作的資料以及隧道掌子面描述資料進行的分析，能掌握隧道通過斷巖層情況，粗略地預(yù)測地質(zhì)巖性界線、圍巖等級、不良地質(zhì)情況，如斷層、涌水段落、破碎帶范圍等。地面地質(zhì)調(diào)查法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中是最早使用的方法，它是通過地質(zhì)調(diào)查與分析工程地面地質(zhì)情況，進一步掌握隧道所在段落的地質(zhì)特征，推測隧道掌子面前方的地質(zhì)情況。地質(zhì)調(diào)查內(nèi)容主要包括巖性及產(chǎn)狀特征、構(gòu)造斷裂與節(jié)理的發(fā)育特征、巖溶部位、形態(tài)特征等，推測隧道中的不良地質(zhì)發(fā)育可能的類型、產(chǎn)出段落、規(guī)模等，便于在隧道施工中采取恰當?shù)氖┕すに嚭凸こ谭雷o措施，避免造成人員安全及財產(chǎn)損失。地質(zhì)方法比較適用于淺埋隧道、構(gòu)造簡單的隧道，特別是沉積巖區(qū)域有很高的精度，但是在構(gòu)造活動強烈區(qū)域和深埋較深的隧道，地質(zhì)方法預(yù)測難度較大且極不準確。掌子面描述法：隧道施工單個循環(huán)中，對新揭露的掌子面地質(zhì)素描，此過程非常詳細。掌子面素描主要包含有地層巖性、巖層產(chǎn)狀、巖石節(jié)理和裂隙發(fā)育情況、地下水發(fā)育情況、圍巖變形破碎及斷層發(fā)育情況等。地質(zhì)素描能非常準確地反映掌子面圍巖工程地質(zhì)情況，能指導(dǎo)隧道施工，具有工程實際意義。

2)物探類方法：隨著物探技術(shù)的飛速發(fā)展，物探方法非常多，主要包括瞬變電磁法、BEAM超前探測技術(shù)、探地雷達法、TSP地震反射波法等，在隧道工程施工過程中使用最廣泛的技術(shù)是瞬變電磁法和探地雷達法。瞬變電磁法：是一種時間域相關(guān)的電磁方法，主要運用具有階躍波形特征的電磁脈沖，不與地面相接的回線向地下發(fā)射電磁波一次場，電磁波一次場激發(fā)下使地下地質(zhì)體內(nèi)形成渦流，渦流的大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電性能強弱，導(dǎo)電能力強則感應(yīng)渦流強，反之，地質(zhì)體導(dǎo)電能力弱則感應(yīng)渦流弱。電磁波的一次場消散后，而渦流不會立刻消散，它是一個逐漸衰減過程，衰減過程又會形成二次場，二次場逐漸衰減且向地下傳播。通過接收線圈在地表接收二次場，二次場特征間接反映地下地質(zhì)體的導(dǎo)電能力。BEAM超前探測技術(shù)：(英文全稱Bore Tunnelling Electrical Ahead Monitoring，簡寫為Beam超前探測技術(shù))它是通過對地層巖石電阻率進行測試的電法來推測巖石物性、溶洞和富水層的一種物探方法。由于電極化特征(與電容對比)，地層巖石的電阻系數(shù)的變化頻率能夠被完整記錄下來，富水層或者不良地質(zhì)空洞、高孔隙率的地下地質(zhì)體直接影響激發(fā)極化參數(shù)，譬如喀斯特溶洞等，所以Beam超前探測技術(shù)能夠準確地預(yù)測溶洞等不良地質(zhì)在隧道中發(fā)育情況，相比早先的電法探測，Beam探測技術(shù)有效改善了傳統(tǒng)電法測試的靈敏度和可靠性，使用適合的隧道工作面來布設(shè)環(huán)繞電極，目的是形成保護電場，環(huán)繞電極形成的電流能向更深的部位傳播。Beam探測技術(shù)耗時較長，嚴重影響施工進度。TSP地震反射波法：(英文全稱Tunnel Seismic Prediction，簡寫TSP地震反射波法)屬于多波和多分量地震反射波探測技術(shù)，它的分辨率教高。TSP超前預(yù)報技術(shù)是運用地震波在不均勻地質(zhì)體中反射波特性，通過反射波傳播速度快慢來推測隧道前方的地質(zhì)情況?？梢蕴綔y隧道掌子面前方圍巖變化情況，如不規(guī)則的地質(zhì)體、不整合面、構(gòu)造斷層及破碎帶等。探測過程是在隧道掌子面一側(cè)布設(shè)炮眼，在掌子面兩側(cè)壁布設(shè)兩個檢波器孔，按順序激發(fā)各炮形成人工地震波，隧道掌子面前方不同巖性介質(zhì)形成的反射波不同，這種不同形成的反射波被檢波器接收。運用相關(guān)地震波軟件處理能夠得到P波和S波的分布規(guī)律，通過數(shù)據(jù)提取最終得到隧道掌子面前方反射同相軸及其地質(zhì)解譯成果圖。還可以通過相應(yīng)波密度值算出區(qū)域內(nèi)巖體物理力學(xué)參數(shù)，作為劃分圍巖級別依據(jù)。該方法有效預(yù)測100～200 m的圍巖情況，但是成本較高，所獲取的有效信息有限，對隧道中的富水區(qū)域的探測成功率較差。地質(zhì)雷達法：(英文簡寫GPR法)它是一種利用高頻率(1MHz～1GHz)電磁波探測地下介質(zhì)的電磁技術(shù)，具有高頻電磁波、寬頻帶短脈沖的特征，由隧道掌子面用發(fā)射天線向掌子面前方圍巖發(fā)射，當遇到異常介質(zhì)的界面時發(fā)生反射，這種異常介質(zhì)可能是巖性界面、斷層、不良地質(zhì)等，返回的反射波被設(shè)置的接收天線記錄下來，在電腦上形成雷達剖面圖。電磁波在介質(zhì)中傳播的電磁特性和幾何形態(tài)能反映出電磁波的傳播路徑、場強度及波形變化特征。由此可以根據(jù)接收天線獲取的電磁波特征可以確定隧道掌子面前方地質(zhì)界面或不良地質(zhì)特征及位置，但是該地質(zhì)雷達法的缺點是受干擾因素非常多，經(jīng)常因干擾因素造成假象而誤判。另外地質(zhì)雷達法探測距離有限，通常情況在30 m內(nèi)。

3)鉆探方法：隧道中鉆探通常都是水平鉆探，它是超前地質(zhì)預(yù)報最直接的方法，通過水平鉆探對隧道掌子面前方地層巖性進行識別，還可以確定圍巖級別及厚度，探明碳酸鹽溶洞的特征，地下水在巖層中的賦存條件，在鉆孔中可以測定地下水的水量和水壓，還可以準確判定煤層厚度及檢測瓦斯?jié)舛龋瑢τ玫刭|(zhì)方法和物探方法獲得的超前地質(zhì)預(yù)報成果進行驗證，在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域，通過地質(zhì)、物探等手段綜合確定的不良地質(zhì)段落，應(yīng)施以水平鉆探法加以驗證。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)報研究現(xiàn)狀

近年以來，隨著物探技術(shù)的發(fā)展，隧道超前地質(zhì)預(yù)報設(shè)備及技術(shù)取得了快速發(fā)展，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者都對隧道超前地質(zhì)預(yù)報做了深入的研究，并且取得了顯著成果，為推廣隧道超前地質(zhì)預(yù)報做了良好的鋪墊。現(xiàn)在已經(jīng)從單一的預(yù)報手段逐漸發(fā)展成地質(zhì)和物探相結(jié)合的綜合預(yù)報分析技術(shù)，對保障隧道安全施工、減少人員傷亡起到了重要作用，且被大多數(shù)建設(shè)、設(shè)計、監(jiān)理施工單位認可，隧道超前地質(zhì)預(yù)報已經(jīng)成為隧道施工中必不可少的工作內(nèi)容。盡管隧道超前地質(zhì)預(yù)報認可度逐漸增加，但是在預(yù)報精度、數(shù)據(jù)處理和解釋方面仍然面臨許多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)如下。

1)本質(zhì)上，隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的物探方法并非是對地面物探技術(shù)簡單的移植，物探對象所處的環(huán)境、探測對象、探測方式方法的差異將決定解釋方法。提高隧道超前地質(zhì)預(yù)報解釋的準確性，其根源還是在于如何消除干擾和如何根據(jù)數(shù)據(jù)分析不良地質(zhì)類型。

2)目前隧道超前地質(zhì)預(yù)報仍還是停留在常用的預(yù)報方法層面，機械式組合混搭。隧道超前地質(zhì)預(yù)報過程，就是將獲取已知的大量信息(包含物探資料和地質(zhì)資料)對隧道掌子面前方未開挖的地質(zhì)情況進行詳細預(yù)報，為隧道開挖施工提供資料，能夠有效減少盲目施工造成的安全事故。綜合解釋技術(shù)現(xiàn)在正處于發(fā)展初期階段，對獲取的多元化信息進行聯(lián)合解釋是未來隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展核心。

3)隧道超前地質(zhì)預(yù)報過程極其復(fù)雜，涉及知識面廣，對隧道掌子面前面地質(zhì)情況判斷時，就需要超前地質(zhì)預(yù)報工作者綜合整理和分析大量的隧道地質(zhì)基礎(chǔ)資料(如掌子面素描等)及現(xiàn)場各種的物探數(shù)據(jù)，這就要求數(shù)據(jù)解析工作者必須具有扎實的地質(zhì)知識和物探解釋經(jīng)驗。

3 隧道不良地質(zhì)方面的應(yīng)用

3.1 地質(zhì)類方法

任何不良地質(zhì)發(fā)育情況都是在大的地質(zhì)背景下形成的，地質(zhì)是隧道超前地質(zhì)預(yù)報重要的基礎(chǔ)。雖然越來越多的先進物探設(shè)備廣泛投入到超前地質(zhì)預(yù)報中，但是物探類方法常常具有多解性，必須要運用地質(zhì)類方法的基礎(chǔ)資料才能使物探類方法進行隧道超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果更加準確可靠。通常情況下，地質(zhì)類方法進行隧道超前地質(zhì)預(yù)報是能夠初步判斷可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)體類型、規(guī)模大小及大致位置，如推測斷層破碎帶、富水層常常在淺埋隧道中運用廣泛，準確程度較高。

3.2 物探類方法

在隧道施工過程中常用的物探類超前地質(zhì)預(yù)報方法主要有兩種：瞬變電磁法和探地雷達法。

1)瞬變電磁法具有對較低阻體反應(yīng)非常靈敏的特點，現(xiàn)在逐漸運用于探測隧道掌子面前方涌突水、斷層等不良地質(zhì)情況。隧道探測周邊存在開挖臺車、初支鋼拱架等金屬對探測數(shù)據(jù)和解釋有較大影響，在實際中常常會導(dǎo)致誤判，這是制約瞬變電磁法運用的重要因素。也有部分專家學(xué)者已經(jīng)研究出開挖臺車及初支鋼拱架等金屬對瞬變電磁法探測結(jié)果影響特征，通過建立電阻極限近似反演方法體系，可有效地消除開挖臺車及初支鋼拱架等金屬干擾。劉宗輝通過室內(nèi)物理模擬實驗和現(xiàn)場物探實驗相結(jié)合的辦法，詳細研究了隧道中金屬體對瞬變電磁法探測結(jié)果的影響特征，并總結(jié)得到適用規(guī)律。隧道中金屬體影響瞬變電磁法的信噪比，探測線圈與金屬體距離越大，影響指數(shù)越小，因此，在運用瞬變電磁法進行超前地質(zhì)預(yù)報時，應(yīng)盡可能將開挖臺車挪開掌子面，同時探測線圈盡可能遠離初支鋼拱架。瞬變電磁法的分辨率能夠超過3 m，且對低阻含水構(gòu)造分辨率較低。

2)探地雷達法通過接收到的電磁波波形、振幅強度和時間的變化特征推測掌子面前方的地質(zhì)情況。地質(zhì)雷達法得到的數(shù)據(jù)包含了大量的地質(zhì)信息，特別是地層巖性、對象的物性等特征，可以通過地質(zhì)雷達來識別巖溶、裂隙等不良地質(zhì)情況。許多國內(nèi)外專家學(xué)者將數(shù)學(xué)方法、邏輯運算等相結(jié)合，對不良地質(zhì)體的幾個屬性進行模式識別，建立不良地質(zhì)體的識別模型，通過模型對比能快速有效地預(yù)測巖溶隧道不良地質(zhì)體。地質(zhì)雷達法的分辨率非常高，能夠?qū)λ淼乐胁涣嫉刭|(zhì)進行詳細探測，且對水十分敏感，近年來在高速公路和鐵路隧道中應(yīng)用廣泛。

3.3 水平鉆探方法

水平鉆孔是側(cè)重于超前地質(zhì)預(yù)報已經(jīng)基本確認的大型不良地質(zhì)區(qū)段驗證，直接對掌子面前方圍巖進行鉆孔取樣，方法可靠，預(yù)報結(jié)果精確，不存在物探類方法的多解性和不確定性，但是其效率低、成本高、鉆孔作業(yè)耗費時間長、布孔具有偶然性等，在施工實際中運用少于物探類方法。水平鉆孔適用于巖溶發(fā)育區(qū)域、富水層、構(gòu)造破碎帶等，能夠?qū)@些不良地質(zhì)情況精確判斷。在富水層還能通過鉆孔測量水量和水壓，在瓦斯區(qū)域能夠測量瓦斯溢出濃度進而計算絕對溢出量，能有效掌握隧道掌子面前方不良地質(zhì)情況，用于指導(dǎo)施工。

4 討 論

隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)發(fā)展非常迅速，采用高新技術(shù)模擬下能夠有效地識別和比較精確地定位隧道中大規(guī)模不良地質(zhì)體，如大型斷層、裂隙、溶洞和涌突水情況。僅僅運用某種超前地質(zhì)方法很難精細化預(yù)測不良地質(zhì)體，單一的方法分辨率低，通常情況下只能探測到不良地質(zhì)體的界限，對其形態(tài)和結(jié)構(gòu)很難精細化探測。隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的物探技術(shù)并非是對地面物探技術(shù)簡單的移植，不能將多種超前地質(zhì)預(yù)報方法簡單地機械式組合混搭，這樣得到的預(yù)報結(jié)果無任何指導(dǎo)現(xiàn)場施工的意義。瞬變電磁法具有探測距離遠，但是探測精度較低；地質(zhì)雷達法的分辨率非常高，探測距離短的特點。在現(xiàn)場超前地質(zhì)預(yù)報中通?？梢圆捎盟沧冸姶欧▽λ淼勒谱用媲胺竭M行初略預(yù)測，如果發(fā)現(xiàn)有異常，再通過地質(zhì)雷達法進行詳細探測，同時結(jié)合地質(zhì)資料、理論分析、試驗?zāi)M、現(xiàn)場測試、數(shù)字計算、計算機編程等輔助手段，能夠使做出的超前地質(zhì)預(yù)報更加科學(xué)合理，隧道超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果基本能與現(xiàn)場實際情況匹配，這樣的超前地質(zhì)預(yù)報才能夠運用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

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