城市建設(shè)最近一期
試析隧道施工中地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)
熊立勇
摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法法多種多樣，本文探討了如何綜合應(yīng)用這些方法，經(jīng)濟(jì)科學(xué)地進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。并介紹了隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作的實(shí)施情況，探討了在隧道應(yīng)用的幾種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)手段及其工作原理、適用性、優(yōu)缺點(diǎn)、實(shí)施效果等。隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是隧道施工的一道重要工序，也是隧道施工中防災(zāi)減災(zāi)的一個(gè)重要手段。實(shí)踐證明，施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)減少塌方、快速施工起著極為重要的作用�？蓪�(duì)今后的長(zhǎng)大隧道及地下工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作提供參考。
關(guān)鍵詞：隧道施工；地質(zhì)；超前；預(yù)報(bào)

1 引言
公路隧道在設(shè)計(jì)與施工前期，要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘查，但是由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確摸清待建隧道的地質(zhì)情況是十分困難的，因此，開(kāi)挖前對(duì)地質(zhì)情況的了解對(duì)于隧洞建設(shè)有著十分重要的作用。通過(guò)超前預(yù)報(bào)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)掌子面前方的異常情況，了解前方地質(zhì)情況，據(jù)此可以選擇正確的開(kāi)挖斷面、支護(hù)參數(shù)并優(yōu)化施工方案，并可以事先做好防水、防塌方、防突泥等各種施工預(yù)案，確保施工安全，同時(shí)還可節(jié)約大量資金和施工工期。所以隧洞超前預(yù)報(bào)對(duì)于安全科學(xué)施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)
2．1 收集并熟悉已有的資料
在隧道開(kāi)工之前應(yīng)及時(shí)收集隧道的設(shè)計(jì)及地質(zhì)資料，并詳細(xì)對(duì)所收集資料進(jìn)行閱讀和研究，了解隧道的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，掌握隧道所處區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、氣候情況和河流分布情況等，做到對(duì)隧道所處地質(zhì)情況有一個(gè)比較全面和深刻的認(rèn)識(shí)。然后據(jù)此制定預(yù)報(bào)方案，做到未雨綢繆。
2．2 地質(zhì)素描法
掌子面地質(zhì)素描法是對(duì)已開(kāi)挖掌子面的地質(zhì)狀況在現(xiàn)場(chǎng)作實(shí)地調(diào)查，并進(jìn)行詳細(xì)分析，采集必要的數(shù)據(jù)。地質(zhì)素描是對(duì)開(kāi)挖面的地質(zhì)情況如實(shí)而準(zhǔn)確的反映，主要內(nèi)容有：a)巖性是最基本的地質(zhì)資料。主要描述巖石名稱(chēng)、顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成分、風(fēng)化程度等。b)斷層 主要描述斷層位置、產(chǎn)狀、斷層破碎帶寬度及構(gòu)造類(lèi)型、斷層性質(zhì)及其與其他斷層的關(guān)系、派生節(jié)理產(chǎn)狀、密度及充填物等。c)貫穿性節(jié)理主要描述節(jié)理產(chǎn)狀、密度、寬度、延伸情況、節(jié)理面特征(光滑、粗糙、起伏不平)、出露位置等。d)巖脈主要描述巖脈的巖性，出露位置、寬度、接觸關(guān)系、破碎情況、風(fēng)化程度等。e)水主要描述出水點(diǎn)位置及其與斷層和節(jié)理的關(guān)系、出水量大小及流速、有無(wú)異味、水是否清澈或含有泥或其他雜物、水溫等，同時(shí)了解水是否具有侵蝕性。還應(yīng)判斷隧道出水與地表徑流或水庫(kù)及其他水源等是否存在補(bǔ)給關(guān)系，并據(jù)此提前做好必要的排水措施，以防止造成涌水事故。掌子面是隧道施工前方巖體唯一的暴露面，如實(shí)記錄施工掌子面上的信息對(duì)施工前方地質(zhì)預(yù)報(bào)有很高的價(jià)值，而且地質(zhì)素描法不占用施工時(shí)間，對(duì)施工無(wú)干擾，應(yīng)用成本極低，因此該法是最基本最易實(shí)施的超前預(yù)報(bào)方法。但應(yīng)該看到該法也有一定的劣勢(shì)，一是對(duì)操作者的素質(zhì)要求較高，操作者必須有深厚的地質(zhì)知識(shí)和邏輯判斷能力；二是在地質(zhì)條件極為復(fù)雜多變的隧道中其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性較低不宜采用。
2．3 地質(zhì)雷達(dá)法
2．3．1原理及特點(diǎn)
地質(zhì)雷達(dá)法是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，由掌子面通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向前發(fā)射，當(dāng)遇到異常地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時(shí)發(fā)生反射并返回，被接收天線(xiàn)接收，并由主機(jī)記錄下來(lái)，形成雷達(dá)剖面圖。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁波場(chǎng)強(qiáng)度以及波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行處理和分析，可確定掌子面前方界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征。地質(zhì)雷達(dá)法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，探測(cè)速度快，對(duì)施工干擾小，其對(duì)空洞、水體、斷裂破碎帶等的反映較靈敏，其探測(cè)距離一般與巖體的類(lèi)別、含水量、破碎情況等有較大關(guān)系，一般來(lái)講，探測(cè)深度可達(dá)2O～40 m左右，圍巖破碎或含水量較大時(shí)探測(cè)深度較小。甚至低于10m。
2．3．2 應(yīng)用情況
在某高速公路中II號(hào)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中采用國(guó)產(chǎn)LTD一2000型地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行短距離地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，效果均較為良好。成功預(yù)測(cè)了軟弱夾層、小型斷裂帶、含水夾層等不良地質(zhì)體，并指導(dǎo)施工單位調(diào)整施工方法和支護(hù)參數(shù)，有效避免了坍塌等不利狀況的發(fā)生。下面以實(shí)例說(shuō)明。圖1為在某高速公路中II號(hào)隧道掌子面地質(zhì)雷達(dá)頻譜圖，從圖中可以看出左半部有一異常區(qū)域，該區(qū)域雷達(dá)信號(hào)極弱，被強(qiáng)烈吸收，而該處對(duì)應(yīng)掌子面區(qū)域出露為一約1．5 m寬石英巖脈，因此推斷該處異常為地質(zhì)雷達(dá)波在整體性較好的石英巖脈中強(qiáng)烈衰減所致，而雷達(dá)信號(hào)在10 m后變大，因此推斷該巖脈約在10 m后消失；其他區(qū)域雷達(dá)波較為凌亂、無(wú)明顯規(guī)律，推斷這些區(qū)域圍巖裂隙較為發(fā)育，局部較為破碎，導(dǎo)致雷達(dá)波信號(hào)不均勻反射所致。開(kāi)挖后石英巖脈基本消失，而圍巖情況則為裂隙較為發(fā)育，局部巖石松散破碎，證實(shí)了推斷的正確性。

 

圖1 掌子面地質(zhì)雷達(dá)頻譜圖
2．3．3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用體會(huì)
根據(jù)實(shí)際隧道施工中的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用的四點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：1)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是一種先進(jìn)的地質(zhì)探測(cè)方法，其預(yù)測(cè)精度高、操作簡(jiǎn)單、對(duì)施工干擾小，但其影響因素多，如天線(xiàn)的布置方向、巖體的特性、含水情況、金屬物件的存在、其他電磁信號(hào)等都影響到預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)必須要結(jié)合地質(zhì)素描法應(yīng)用，以掌子面圍巖及出水狀況結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)頻譜圖綜合分析推定前方圍巖情況。2)掌子面平整情況影響到采集數(shù)據(jù)的真實(shí)度，掌子面金屬物件也會(huì)影響到探測(cè)信號(hào)的真實(shí)性，因此在探測(cè)前應(yīng)盡量保證掌子面相對(duì)平整并無(wú)金屬物件。3)在實(shí)施探測(cè)時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行初步探測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常情況，必須進(jìn)行反復(fù)探測(cè)，用點(diǎn)測(cè)和連續(xù)探測(cè)兩種方法對(duì)比探測(cè)，以盡量提高探測(cè)的準(zhǔn)確性，確保不遺漏前方重大險(xiǎn)情。4)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)正在不斷發(fā)展，其技術(shù)尚待完善，其判讀基本上還是完全靠人完成，客觀(guān)性較差，受人的主觀(guān)性影響較大，因此其探測(cè)精度因人而異。因此，要提高精度探測(cè)，操作者一方面要不斷對(duì)比分析、積累經(jīng)驗(yàn)，另一方面要結(jié)合其他探測(cè)手段綜合分析。
2．4 超前鉆探法
超前鉆探法即從隧道掌子面向前打孔，根據(jù)鉆進(jìn)速度的變化，并觀(guān)察巖粉和泥漿顏色、鉆孔的出水情況來(lái)預(yù)測(cè)打孔深度范圍內(nèi)的地質(zhì)和水文情況。該法直接揭示了隧道掌子面前方的地質(zhì)特征，準(zhǔn)確率很高。但是該法操作時(shí)占用施工時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)用成本較大，在地質(zhì)條件極為復(fù)雜多變的隧道中其準(zhǔn)確度也不令人滿(mǎn)意，因而該法在國(guó)內(nèi)一般作為驗(yàn)證性方法使用，即在地質(zhì)雷達(dá)法及其他方法探出前方異常時(shí)再進(jìn)行鉆孔探測(cè)以準(zhǔn)確探知前方實(shí)際狀況。在某公安速公路II號(hào)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，在局部地質(zhì)條件異常區(qū)段也采用了該法，進(jìn)行了短距離地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果同地質(zhì)素描法和地質(zhì)雷達(dá)法結(jié)果相互印證，提高了預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
3 地質(zhì)預(yù)報(bào)流程
一般地，高速公路隧道施工中的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的工作流程如圖2所示。

 

圖2 地質(zhì)預(yù)報(bào)流程
4 結(jié)語(yǔ)
隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以探知前方不良地質(zhì)狀況，據(jù)此可以改變施工方法和支護(hù)參數(shù)，預(yù)防災(zāi)害和事故發(fā)生，可以有效地達(dá)到節(jié)省工期、節(jié)省投資確保安全的目的，因此其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在我國(guó)應(yīng)用時(shí)間較短，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限，有些預(yù)報(bào)手段或方法還不太成熟。因此操作者在實(shí)際預(yù)報(bào)實(shí)踐過(guò)程中，要不斷積累經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合多種手段、多種方法，互相印證，以提高預(yù)報(bào)精度，服務(wù)于隧道施工。
參考文獻(xiàn)：
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