隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)分析

趙志輝

中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司，陜西西安，710000

0 引言

在社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，我國交通網(wǎng)絡(luò)正在逐漸健全，鐵路公路等交通網(wǎng)絡(luò)也正在不斷由中心城市向偏遠(yuǎn)地區(qū)延伸。在公路鐵路建設(shè)中，隧道建設(shè)在交通工程中的重要性逐漸突顯出來。隧道超前地質(zhì)預(yù)報工程實施原因在于，隧道的長度及埋深等多方面因素的影響，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，隧道內(nèi)的突水、突泥等災(zāi)害對隧道的施工安全及質(zhì)量有著直接的影響。通過預(yù)報檢測技術(shù)，可以有效判定隧道中遇到的特殊情況，從而正確指導(dǎo)工程實施。本文結(jié)合實際情況進(jìn)行研究，對隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行全面分析，并對其未來發(fā)展過程中的問題和趨勢進(jìn)行了探討，為超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的研究應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用對隧道工程的重要性

在隧道設(shè)計與施工前期，需要進(jìn)行全面的地質(zhì)勘察，雖然在一定程度上針對地質(zhì)的實際情況進(jìn)行了預(yù)報和預(yù)測，但是因為巖體具有一定的復(fù)雜性，所以勘察資料和工程實際開挖可能出現(xiàn)較大的差距。隨著工程等級的提升，隧道工程數(shù)量及規(guī)模不斷擴(kuò)大，工程實施所面對的地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜，直接增加了地質(zhì)勘察資料以及工程實際實施情況的差距。如果勘察資料不能有效反映出工程建設(shè)的實際情況，就失去了施工開挖的參考性，導(dǎo)致工程實施只能在盲目的情況下進(jìn)行，無法預(yù)測施工中潛在的風(fēng)險因素，例如涌水、塌方等問題，都會給工程項目的資金成本、人員安全、施工質(zhì)量等帶來極大的安全隱患。如何開展預(yù)報措施一直是隧道施工中的重點(diǎn)研究問題。采取有效的措施，能夠確保工程實施過程中的安全性與動態(tài)性，從而為工程推進(jìn)提供參考作用[1]。

在傳統(tǒng)隧道施工中，存在著很大的局限性，部分工程缺乏相應(yīng)的超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)，導(dǎo)致在隧道掘進(jìn)過程中失去了有力的保障支撐，面臨的風(fēng)險是巨大的。而部分工程項目雖然具備預(yù)測預(yù)報技術(shù)，但是由于技術(shù)人員專業(yè)性不足或經(jīng)驗積累不夠，降低了預(yù)測預(yù)報的功能，雖然能夠開展基礎(chǔ)性工作，但是工作尚存在片面性與不足，無法準(zhǔn)確地提供勘測的條件。針對規(guī)模較大的工程，難以為工程實施提供參照。所以隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用對隧道工程實施非常重要，工作人員需要全面了解技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，并掌握技術(shù)發(fā)展趨勢。

2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

在隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)用最頻繁也是使用范圍最廣的技術(shù)為地質(zhì)分析技術(shù)與物探技術(shù)。其中，物探技術(shù)又分為TSP技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)。

2.1 地質(zhì)分析技術(shù)

地質(zhì)分析技術(shù)屬于當(dāng)下應(yīng)用最為廣泛且頻率最高的預(yù)報技術(shù)，主要原理是掌握隧洞、區(qū)域地表條件等因素進(jìn)行調(diào)查然后開展超前預(yù)報。采用這種技術(shù)，能夠判斷工程實施的區(qū)域地質(zhì)狀況，并充分對風(fēng)險等級進(jìn)行劃分，對于高風(fēng)險區(qū)域重點(diǎn)識別。同時，其還能夠通過了解隧道掌子面前方的特殊地質(zhì)進(jìn)行預(yù)測勘察，并依據(jù)地質(zhì)的特殊屬性，如規(guī)模、類型等，制定出超前地質(zhì)預(yù)報方案，為工程的實施提供參考，保證工程施工的合理性與安全性，降低施工所面臨的風(fēng)險[2]。這種技術(shù)在實際應(yīng)用中主要針對地質(zhì)構(gòu)造相對簡單、隧道埋深淺的地質(zhì)情況，在條件符合的情況下可以快速提升預(yù)報準(zhǔn)確性，但是并不適用于隧道埋深較深且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程。

2.2 物探技術(shù)

這種技術(shù)的原理在于結(jié)合隧道工程巖土體的實際特點(diǎn)，使用不同的探測方法以及配套設(shè)備，通過地球物理變化探測，來間接性地為隧道施工提供參照。技術(shù)的應(yīng)用對隧道掌子面的工程開展不會產(chǎn)生影響，也不會對地質(zhì)造成破壞，隨著技術(shù)的應(yīng)用，人們逐漸認(rèn)識到技術(shù)的優(yōu)勢，因而正在呈現(xiàn)應(yīng)用范圍與頻率逐漸擴(kuò)大的趨勢。在實際應(yīng)用中，物探技術(shù)主要包含了兩種技術(shù)內(nèi)容，具體如下。

2.2.1 TSP技術(shù)

TSP技術(shù)起源于瑞士的安伯格企業(yè)，該企業(yè)通過結(jié)合施工情況、技術(shù)研發(fā)創(chuàng)造出了TSP技術(shù)（也稱隧道地震勘探），這種技術(shù)的原理為多波多分量探測技術(shù)，通過地震波的不均勻反射波來掌握掌子面的巖性變化，并對掌子面周邊進(jìn)行勘測。在實際應(yīng)用中，TSP技術(shù)主要適用隧道100～200m中長距離超前地質(zhì)探測預(yù)報。當(dāng)前無論在我國還是國際的隧道施工中，其都獲得了廣泛應(yīng)用，在應(yīng)用時預(yù)報的準(zhǔn)確性較高[3]。

2.2.2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)

這種技術(shù)主要利用隧道前方巖石介質(zhì)界面的電磁特性差異而產(chǎn)生的電磁反射波完成預(yù)報工作，在進(jìn)行探測時會發(fā)出高頻脈沖，如果勘測的環(huán)境較為復(fù)雜，電磁波會快速地衰減，所以在應(yīng)用中要提升人員勘測效率，發(fā)揮技術(shù)勘測價值。如果周邊的巖性條件較好，那么這種方式可以在探測開挖前的10～30m，探查隧道周邊的地質(zhì)情況。這種技術(shù)在應(yīng)用中，因為成本較低、操作簡便、要求不高，受到廣泛歡迎。

3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 綜合多種類技術(shù)開展應(yīng)用

結(jié)合當(dāng)前隧道預(yù)報技術(shù)實施現(xiàn)狀來看，單一的隧道技術(shù)應(yīng)用存在著很大的局限性，當(dāng)前并沒有預(yù)報技術(shù)能夠全面地將地質(zhì)缺陷準(zhǔn)確勘測出來。所以，在進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)實施中，想要提升預(yù)報的準(zhǔn)確性，就要綜合多種類技術(shù)應(yīng)用，創(chuàng)造出互相補(bǔ)充、驗證的勘測條件，從而降低勘測的難度，提升探測的可靠性，比如TSP技術(shù)的優(yōu)勢在于操作簡單、廣泛性強(qiáng)，且能夠?qū)^大范圍實施預(yù)報，效率較高，但其容易被環(huán)境因素影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析出現(xiàn)失準(zhǔn)，而地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)則能在多種類型環(huán)境地區(qū)實施探測，但缺點(diǎn)是探測距離較短，若綜合兩種技術(shù)，就能彌補(bǔ)雙方缺點(diǎn)。結(jié)合實際情況來看，完全可以將地質(zhì)分析、地質(zhì)雷達(dá)以及TSP這三種技術(shù)聯(lián)合在一起，在應(yīng)用中將TSP技術(shù)作為主要預(yù)報技術(shù)，并輔以地質(zhì)分析、雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行預(yù)測，建立綜合性的預(yù)報模式[4]。例如，在隱伏地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)報當(dāng)中可以采用上述三種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，像是在某平導(dǎo)圍巖特性為侏羅系流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r的鐵路隧道工程地質(zhì)預(yù)報工作中，先是采用TSP技術(shù)實施探測，再通過對圖像的地質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，某段波速比和泊松比參數(shù)呈上升趨勢，而橫波速度卻下降，密度頗低，因而可推測其很大概率存在地下水，當(dāng)施工到達(dá)某一里程位置后發(fā)現(xiàn)工作面出現(xiàn)浸水，這時再輔以地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，對雷達(dá)情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該工作面的后方約5～10米范圍內(nèi)出現(xiàn)了同相軸反射能量顯著增強(qiáng)的情況，因而推測該段圍巖結(jié)構(gòu)可能呈現(xiàn)出較為破碎的現(xiàn)狀，其15米深處還有可能有薄層水，隨后通過施工揭露發(fā)現(xiàn)，該位置確實存在斷層，寬度約為20米，這表明多種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用實現(xiàn)了科學(xué)且相對準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報。

3.2 定量開展超前技術(shù)

在預(yù)報技術(shù)應(yīng)用期間，鉆爆技術(shù)是當(dāng)下較為新穎的技術(shù)方法，雖然技術(shù)出現(xiàn)較晚，但是通過總結(jié)與創(chuàng)新，技術(shù)在實際應(yīng)用中已經(jīng)趨于完善，并且在未來的發(fā)展空間是巨大的。定量化的超前預(yù)報指的是借助先進(jìn)的定向技術(shù)對施工區(qū)域中的多種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行定量化的分析與提示。開展定量化超前預(yù)報的關(guān)鍵在于創(chuàng)新“探水定量”。在定量化的探水工作中，只有兩種物探技術(shù)對水量具有敏感的反應(yīng)，即核磁共振與激發(fā)極化技術(shù)。但是將兩種技術(shù)投入到隧道勘測中尚處于發(fā)展階段，所達(dá)到的水平可能為半定量水平，并不能全面地投入到實際工作中。在未來，還需要經(jīng)過大量的試驗及測試，充分考量兩種技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用效果，從而提升定量探水效果，提高地質(zhì)情況預(yù)報的精準(zhǔn)性。

3.3 開展TBM施工技術(shù)

TBM施工技術(shù)也叫作全斷面掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)，其是目前主要用于隧道開發(fā)施工的方法之一，具體操作中使用掘進(jìn)機(jī)設(shè)備，相關(guān)施工優(yōu)勢包括速度較快、安全性和可靠性強(qiáng)、較為高效、成本頗低以及施工質(zhì)量水平高等，在該項施工進(jìn)行時，往往是將多種先進(jìn)技術(shù)融為一體，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、控制技術(shù)、激光技術(shù)以及液壓技術(shù)，因而技術(shù)能高度自動化和機(jī)械化，是許多大型地下隧道工程中會用到的先進(jìn)開挖襯砌配套裝備，TBM的設(shè)備主要可劃分為主機(jī)部分和后配套系統(tǒng)部分，主機(jī)主要有主電機(jī)、超前鉆探設(shè)備、管片安裝設(shè)備、刀頭、刀盤、傳動系統(tǒng)、超前支護(hù)設(shè)備以及操作室，而后配套系統(tǒng)中則是由支護(hù)功能、運(yùn)輸功能、控制功能、液壓功能、光導(dǎo)向功能、排水和供電功能以及通風(fēng)功能的相應(yīng)系統(tǒng)組成。TBM技術(shù)雖然工作效率較高，但是也有一定的弊端，如地層適應(yīng)性不高，且對預(yù)報工作具有一定的要求，如要求工作具備一定的安全性、適應(yīng)性，在應(yīng)用中必須依據(jù)隧道的掌子面特點(diǎn)來判斷水體的情況，在應(yīng)用中可以綜合應(yīng)用兩到三種超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，以長、中、短距離相互搭配，來進(jìn)行優(yōu)勢的互補(bǔ)。同時，借助掘進(jìn)機(jī)將巖體震碎，并采用震波技術(shù)，可以有效反映地質(zhì)的具體情況，與TBM技術(shù)進(jìn)行配合，達(dá)到相互補(bǔ)充的效果。由此可見，TBM技術(shù)在應(yīng)用中具有良好的前景。在定量估算水量期間，還可以將單孔定向雷達(dá)裝配在TBM機(jī)器上，提升勘測的準(zhǔn)確性。TBM技術(shù)對地理物理儀器具有一定的需求，所以在未來研究中，要充分實現(xiàn)技術(shù)的自動一體化搭載[5]。

3.4 采用采鉆孔空物理技術(shù)

采鉆孔空物理技術(shù)是指鉆孔地球物理勘探技術(shù)，其也是鉆孔中多種以地球物理勘探為原理的方法統(tǒng)稱，具體實施時圍繞物理學(xué)理論，運(yùn)用專業(yè)化儀器設(shè)備，對相應(yīng)地層和周圍各地質(zhì)體開展坡面鉆孔穿透測量，具體的探測范圍以及工作方式也可能略有不同，其差異主要是根據(jù)實際情況產(chǎn)生，該技術(shù)研究發(fā)展最早是在20世紀(jì)80年代，最初只是用于了解地下空間中分布的物質(zhì)情況以及地下地質(zhì)運(yùn)動變化規(guī)律，適當(dāng)評價和預(yù)測災(zāi)害，目前，該方法正被廣泛運(yùn)用到隧道工程地質(zhì)探測預(yù)報當(dāng)中，提升了隧道工程建設(shè)的安全水平，其具體探測深度大、勘探效率高等優(yōu)勢，能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)一些復(fù)雜的地質(zhì)和巖性，實現(xiàn)高精度識別。

一般情況下，鉆孔地球物理技術(shù)可以充分探清隧道的掌子面含水量，為隧道工程的影響分析、工程實施提供一定的參考。隨鉆以及鉆孔精細(xì)超前探測技術(shù)如果分辨率越高，那么探測的成像效果越好。在隧道工程實施前，借助隨鉆及鉆孔精細(xì)超前探測，能夠充分了解隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)的特殊性，避免出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，有效提升安全性與穩(wěn)定性[6]。

同時，在我國科研人員不斷努力的情況下，已經(jīng)創(chuàng)造出跨孔地質(zhì)雷達(dá)和跨孔彈性波成像技術(shù)，經(jīng)過實驗研究，有效推動了隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的進(jìn)步。但是，要加強(qiáng)對空間分辨率技術(shù)的研究，才能保證技術(shù)的創(chuàng)新性與精準(zhǔn)性。在隧道超前探測工程中，單孔地質(zhì)雷達(dá)是當(dāng)下唯一能夠投入到實際應(yīng)用的探測技術(shù)，在探測時呈現(xiàn)探測半徑大、隨鉆探測等特性。但是因為電磁波在傳播過程中并沒有單一的方向，屬于全方向，所以在實際應(yīng)用中并不能探測到目標(biāo)的具體方位。

4 結(jié)語

綜上所述，通過研究可以充分了解隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用對隧道工程的重要性，工作人員應(yīng)當(dāng)全面了解應(yīng)用現(xiàn)狀，掌握技術(shù)的發(fā)展趨勢，為技術(shù)研究和進(jìn)步提供參照。目前我國在隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用中，主要采用了地質(zhì)分析技術(shù)、物探技術(shù)等。在未來想要提升技術(shù)應(yīng)用的有效性、擴(kuò)大技術(shù)應(yīng)用空間，就要充分明確技術(shù)發(fā)展趨勢，并切實制定符合發(fā)展需求的策略。本文闡述綜合多種類技術(shù)開展應(yīng)用、定量開展超前技術(shù)等，為技術(shù)的發(fā)展提供了一定方向。