隧道施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用

潘福源

【摘? 要】隧道工程在大型項(xiàng)目如水利水電、公路、鐵路中具有重要作用，設(shè)計(jì)勘察隧道工程時，勘察工作已經(jīng)開始實(shí)施，但是因?yàn)榭辈旖?jīng)費(fèi)、時間、技術(shù)和地質(zhì)情況等限制，勘察階段獲取的資料通常情況下不能滿足施工階段的要求。修建復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域隧道過程中，為了提升施工的安全性，降低施工災(zāi)害發(fā)生率，需要事先實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。以某隧道舉例，使用GPR、TSP-203等物探方法對其進(jìn)行地質(zhì)探測和分析，結(jié)果顯示現(xiàn)場實(shí)際狀況和探測結(jié)果相一致，顯著提升施工安全性，降低風(fēng)險發(fā)生率，有效促進(jìn)隧道施工工作的進(jìn)行。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)雷達(dá);超前地質(zhì)預(yù)報(bào);GPR

前言：

近年來，我國社會經(jīng)濟(jì)水平迅速提升，交通事業(yè)也在不斷前進(jìn)和完善，特別是鐵路建設(shè)行業(yè)，我國已經(jīng)成為全球隧道修建難度最大、規(guī)模最大的國家。重大工程建設(shè)逐漸轉(zhuǎn)移向巖溶地區(qū)和具有極端復(fù)雜地質(zhì)地形的西部山區(qū)，未來眾多深長高風(fēng)險隧道會在這里修建。施工前期深長隧道中不能對沿線不良地質(zhì)情況全部查清，這會提升施工期間重大地質(zhì)災(zāi)害，如大變形、塌方、突水突泥等情況出現(xiàn)的幾率，部分隧道無奈改線或者停止修建，機(jī)械設(shè)備報(bào)廢，施工人員受到傷害，嚴(yán)重者甚至失去生命。對經(jīng)濟(jì)和環(huán)境造成十分惡劣的影響。

一、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)發(fā)展現(xiàn)狀及基本原理

1.1TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

地震波的產(chǎn)生是因?yàn)槎膫€爆破點(diǎn)上的少量炸藥產(chǎn)生爆炸，地震入射波一旦遇到有變化的巖層或者巖體結(jié)構(gòu)時，因?yàn)榉纸缑嫔暇哂胁煌慕橘|(zhì)，所以部分地震入射波會被反射，TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)利用這一原理，使用電子傳感器接收到信號。巖體中的地震波傳播速度固定，因此入射波到達(dá)不同巖體分界面和反射波的到達(dá)時間的距離成正比關(guān)系，可對測點(diǎn)和地質(zhì)變化帶的距離進(jìn)行間接測量，對隧道掌子面前方的圍巖地質(zhì)狀況和地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測[1]。

1.2地質(zhì)雷達(dá)探測法

地質(zhì)雷達(dá)探測法是通過發(fā)射機(jī)進(jìn)行脈沖電磁波的發(fā)射，部分直達(dá)波經(jīng)掌子面進(jìn)行傳播，另一部分電磁波傳播入巖體，傳播波的期間，如果遇到的巖體具有不同電性，電磁波發(fā)射，后達(dá)到接收機(jī)。按照以上波傳播時間對掌子面前方巖體的位置情況進(jìn)行精確了解。地質(zhì)雷達(dá)探測法應(yīng)用廣泛，在考古、礦產(chǎn)資源、隧道、煤礦、水電站、鐵路、公路等領(lǐng)域均有涉及。

1.3超前鉆探法

超前鉆探法是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中最直觀的、直接的探測方法，通常情況下，鉆探位置為三十到五十米，可以探測隧道中物探異常區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)、富水巖溶、富水軟弱斷層破碎地段等，但該方法使用成本較高，嚴(yán)重影響正常施工，因此使用具有一定的限制。優(yōu)點(diǎn)預(yù)報(bào)加深炮眼時，范圍僅限三到八米，在巖溶區(qū)實(shí)用性更強(qiáng)，不影響正常施工，可行性和操作性極強(qiáng)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)圍巖巖溶發(fā)育區(qū)和地下水發(fā)育區(qū)。

1.4綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系

預(yù)報(bào)隧道超前地質(zhì)方法眾多，例如地質(zhì)調(diào)查法、超前炮孔、超前水平鉆、TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測、水平聲波剖面等。但是預(yù)報(bào)方法的不同也會對不良地質(zhì)體的預(yù)報(bào)效果產(chǎn)生影響，因此實(shí)施隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時，需要針對工程地質(zhì)水文狀況對區(qū)和段進(jìn)行區(qū)分，并聯(lián)系超前預(yù)報(bào)措施的不同特點(diǎn)，使用預(yù)報(bào)措施，這樣才能夠有效快速的對地質(zhì)災(zāi)害情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。TSP超前預(yù)報(bào)方法能夠定量探測巖體的彈性模量、泊松比、縱橫波速等相關(guān)參數(shù)，可以可靠、準(zhǔn)確的預(yù)測掌子面前方遭遇到的幾乎與隧道軸線垂直的不良地質(zhì)體界面結(jié)果，若是溶洞體呈近平面狀并且尺寸較大，不良地質(zhì)體存在不規(guī)則的界面形狀，表示準(zhǔn)確預(yù)報(bào)具有較高難度，信號反映情況不佳，同時占用較長工期，每次預(yù)報(bào)工作耗時在一到兩小時之間，每次預(yù)報(bào)距離大概在一百五十米到兩百米。

地質(zhì)雷達(dá)法可對掌子面前方進(jìn)行有效識別地層巖性的變化，辨識含水破碎帶和斷層破碎帶具有顯著效果，能夠?qū)τ克M(jìn)行預(yù)報(bào)，對含水巖溶裂隙、較大水體、充水溶洞、斷層破碎帶的規(guī)模和位置進(jìn)行預(yù)測，缺點(diǎn)是每次進(jìn)行預(yù)報(bào)需要花費(fèi)三十分鐘或者一個小時的時間，容易被洞內(nèi)機(jī)械金屬所影響，并且探測距離只有二十到三十米，距離較短[2]。

二、工程實(shí)例

2.1工程概況

某隧道DIK55+550～DIK55+580段掌子面顯示奧陶系下統(tǒng)紅花園組、分鄉(xiāng)組、南津關(guān)組，礦物成分主要為方解石，顏色為青灰色或者淺灰色，巖石表面溶蝕嚴(yán)重，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體較完整，溶痕、溶蝕溝槽等發(fā)育，錘擊聲清脆，節(jié)理較發(fā)育，中厚-厚層狀。單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，巖層產(chǎn)狀為E/10°～15°S，N40°～50°。掌子面局部夾泥、破碎，中部偏左位置存在裂隙，其中夾帶少量泥土，拱頂上方偏左處存在豎向溶洞，直徑大概在一點(diǎn)五米，高度為八米。

2.2綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系預(yù)測結(jié)果

探測掌子面前方的地質(zhì)情況可以使用TSP203PLUS，在掌子面左側(cè)壁布置炮眼，完成地質(zhì)探測之后，使用TSPwin處理收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而得出巖石物性參數(shù)、P波反射界面等成果。研究表明圍巖縱、橫波速度具有較大變化，反射界面較多，動態(tài)楊氏模量值全面降低，泊松比整體升高。預(yù)測圍巖強(qiáng)度較前段變差，局部破碎，巖體較破碎，溶蝕裂隙發(fā)育。可以再次使用超前水平鉆和地質(zhì)雷達(dá)對巖石情況進(jìn)行探測。

使用地質(zhì)雷達(dá)探測掌子面前方的地質(zhì)情況，屏蔽天線選擇100 MHz，探測方法采用應(yīng)用點(diǎn)測法。將水平雷達(dá)測線布置在掌子面中部和下部，使其與隧道軸線走向垂直。結(jié)果顯示此次探測距離為二十米，里程樁號范圍為DIK55+574～DIK55+554。DIK55+568～DIK55+554段范圍內(nèi)上圍巖整體上具有較高的完整性，泥質(zhì)夾層存在于掌子面右前方四到八米處，并且掌子面六至八米范圍內(nèi)以左側(cè)二到四米范圍內(nèi)具有泥質(zhì)夾層。DIK55+574～DIK55+568段范圍內(nèi)圍巖含裂隙水，較為破碎，與上段圍巖對比，完整性有所降低。

2.3現(xiàn)場開挖情況對比驗(yàn)證

開挖相應(yīng)里程之后發(fā)現(xiàn)其中存在節(jié)理裂隙發(fā)育，鉆探結(jié)果和開挖結(jié)果均表明使用探地雷達(dá)結(jié)合TSP超前預(yù)報(bào)方法在隧道不良地質(zhì)預(yù)測方面的顯著效果[3]。

三、結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合工程實(shí)際情況，在工程實(shí)踐中運(yùn)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，通過地質(zhì)雷達(dá)、TSP超前預(yù)報(bào)方法等物探措施探測隧道工程前方的狀況，根據(jù)掌子面顯示情況，對探地雷達(dá)結(jié)合TSP超前預(yù)報(bào)方法在隧道不良地質(zhì)預(yù)測方面的效果進(jìn)行驗(yàn)證，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)可以提升我國經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，能夠?yàn)槲磥砉こ痰膶?shí)施提供參考意見。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳小川. 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在萬壽山隧道施工中的應(yīng)用[J]. 勘察科學(xué)技術(shù)，2019，00（004）：58-61.

[2]肖坤林，劉嬌，賈小杰. 地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道施工中的運(yùn)用[J]. 中國金屬通報(bào)，2020，No.1018（04）：260-261+263.

[3]張勇. 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用[J]. 交通世界（工程技術(shù)），2019，002（008）：127-128，130.

（作者單位：廣西八桂工程監(jiān)理咨詢有限公司）