董君 陳海鵬 唐鷺

(中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都 610041)

1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的必要性

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和隧道工程技術(shù)的日益進(jìn)步，目前，隧道越建越長(zhǎng)，在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建的隧道越來(lái)越多，隧道施工中遇到的問(wèn)題也愈加復(fù)雜，由此而來(lái)的隧道洞內(nèi)塌方、涌水、涌泥、涌砂、巖爆、瓦斯爆炸等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。為保證隧道施工的安全和高效，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)具有非常重要的意義，通過(guò)超前預(yù)報(bào)技術(shù)掌握掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀、圍巖結(jié)構(gòu)的完整性及含水的可能性，為正確的選擇開挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案等提供依據(jù)，并且為塌方、涌水、突泥、突氣等事故的發(fā)生做好預(yù)報(bào);因此該技術(shù)保證了隧道施工的安全科學(xué)性，提高了工作效率、節(jié)省了投資。

2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要方法

目前，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可采用地質(zhì)素描、超前鉆探法、物探法。隧道施工過(guò)程中這些方法應(yīng)綜合運(yùn)用，相互補(bǔ)充。表1為隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法。

表1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法

2.1 地質(zhì)素描

地質(zhì)素描是地質(zhì)超前預(yù)報(bào)采用的一種基本方法，在隧道設(shè)計(jì)的各個(gè)階段均要采用此方法。隧道施工過(guò)程中主要根據(jù)掌子面地質(zhì)條件，如地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其發(fā)育情況、巖體破碎程度、巖體變質(zhì)程度的變化特征、地下水出露點(diǎn)位置及出水狀態(tài)等，結(jié)合已有勘探資料進(jìn)行隧道開挖掌子面前方的地質(zhì)條件預(yù)測(cè)。該方法操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、不影響隧道施工，而且成本低，但需要較高水平的專業(yè)人員完成。

2.2 超前地質(zhì)鉆探

2.2.1 預(yù)報(bào)原理

超前地質(zhì)鉆探是利用鉆機(jī)在隧道開挖工作面進(jìn)行鉆探獲取地質(zhì)信息的一種方法，它主要采用沖擊鉆和回轉(zhuǎn)取芯鉆，二者應(yīng)合理搭配使用［1］。

2.2.2 鉆孔技術(shù)要求

1)鉆孔位置:在掌子面布置3個(gè)～5個(gè)鉆孔;2)孔深:不同地段不同目的的鉆孔應(yīng)采用不同的鉆孔深度，一般每循環(huán)可鉆長(zhǎng)度是30 m～50 m，必要時(shí)也可鉆100 m以上的深孔，每循環(huán)搭接長(zhǎng)度為5 m［1］;3)孔徑:鉆孔直徑應(yīng)滿足鉆探取芯、取樣和孔內(nèi)測(cè)試的要求，一般情況下均采用76 mm;4)超前鉆探過(guò)程中應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)做好記錄，包括鉆孔位置、開孔時(shí)間、終孔時(shí)間、涌水位置、涌水流量、巖芯破碎程度、卡鉆現(xiàn)象等情況。

2.2.3 應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)分析

超前地質(zhì)鉆探適用于各種地質(zhì)條件，在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發(fā)育區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)、重大物探異常區(qū)等地質(zhì)條件復(fù)雜地段必須采用［1］。

超前地質(zhì)鉆探是最直觀、可靠的超前預(yù)報(bào)手段，通過(guò)鉆孔鉆進(jìn)速度測(cè)試、巖芯采取率統(tǒng)計(jì)、鉆孔巖芯的鑒定和巖芯強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)確定前方巖層的分布、巖體的強(qiáng)度、巖體的完整程度以及是否存在不良地質(zhì)體等;該方法雖直觀，但具有“一孔之見”的不足，對(duì)溶洞存在漏報(bào)的可能，并且操作時(shí)間較長(zhǎng)，費(fèi)用也較高。

2.3 加深炮孔探測(cè)

加深炮孔探測(cè)是利用風(fēng)鉆機(jī)或鑿巖臺(tái)車等在隧道開挖工作面鉆小孔徑深淺孔獲取地質(zhì)信息的一種方法。適用于巖溶發(fā)育區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。其技術(shù)要求如下:1)孔深:孔深應(yīng)比爆破孔深3 m以上;2)孔徑:孔徑大小與爆破孔相當(dāng);3)孔數(shù)、孔位根據(jù)開挖面大小和地質(zhì)復(fù)雜程度確定;4)鉆到溶洞和巖溶水時(shí)應(yīng)換用地質(zhì)鉆探或其他方法進(jìn)行預(yù)報(bào)［1］。

加深炮孔探測(cè)的特點(diǎn):1)它是超前鉆探的一種補(bǔ)充，在巖溶發(fā)育區(qū)大大提高揭示溶洞的幾率，效果非常好;2)與超前地質(zhì)鉆探相比，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低、對(duì)隧道施工影響較小，可利用爆破孔操作;3)孔淺，且不能取巖芯。

2.4 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

TSP203(Tunnel Seismic Prediction)是一種新穎、快速、無(wú)損的地震反射技術(shù)，是目前國(guó)內(nèi)外在地質(zhì)預(yù)報(bào)領(lǐng)域最先進(jìn)的科技成果，它可以十分有效地為工程人員制定相應(yīng)施工方案、采取應(yīng)對(duì)措施，它是為隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)專門設(shè)計(jì)的，能迅速地提供在開挖周圍及前方的三維空間的地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2.4.1 預(yù)報(bào)原理

TSP203法采用了地震波反射原理。通常在隧道內(nèi)一側(cè)邊墻處將24個(gè)炮點(diǎn)按一定間距布置成一條直線，用少量炸藥激發(fā)出的地震波遇到巖石界面、節(jié)理帶，特別是斷層破碎帶、溶洞、大的節(jié)理面等不良地質(zhì)界面時(shí)，一部分地震波被反射回來(lái)，一部分地震信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)被高靈敏度的三分量加速度地震檢波器接收(地震數(shù)據(jù)接收)。反射信號(hào)的傳播時(shí)間和反射界面的距離成正比，故而能知道反射體的存在和位置。通過(guò)反射信號(hào)的傳播速度、波形、強(qiáng)度、相位差等相關(guān)數(shù)據(jù)能了解不良地質(zhì)體的性質(zhì)和分布情況，工程技術(shù)人員結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料進(jìn)行處理可以預(yù)知前方及周圍地質(zhì)變化狀況。TSP203超前預(yù)報(bào)示意圖如圖1所示。

圖1 TSP203超前預(yù)報(bào)示意圖

2.4.2 應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)分析

TSP203法可以預(yù)報(bào)掌子面前方的斷層破碎帶、巖溶及其填充物等不良地質(zhì)體的性質(zhì)、規(guī)模和位置，預(yù)報(bào)富含水地質(zhì)體和老崆等采空區(qū)的規(guī)模和位置，還可以預(yù)報(bào)各種不良地質(zhì)發(fā)生突水、突泥、塌方等施工地質(zhì)災(zāi)害概率。TSP203法預(yù)報(bào)距離為100 m～150 m，在巖體完整的硬質(zhì)巖層可以預(yù)報(bào)120 m～180 m［1］。它的一切工作都在掌子面后進(jìn)行，對(duì)隧道施工影響較小，它可以獲得地層變化的平面和三維圖像，代表性強(qiáng)、可靠度高。與其他手段相比，TSP203的預(yù)報(bào)距離為地質(zhì)雷達(dá)的4倍多，預(yù)報(bào)精度為淺層地震儀的5倍，且費(fèi)用低，因此最適合長(zhǎng)距離的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2.5 地質(zhì)雷達(dá)法

2.5.1 預(yù)報(bào)原理

地質(zhì)雷達(dá)法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁波技術(shù)。通過(guò)特定儀器向地下發(fā)送脈沖形式的高頻、甚高頻電磁波。電磁波在介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到存在電性差異的地下目標(biāo)體，如空洞、分界面等時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面時(shí)由接收天線所接收。在對(duì)接收天線接收到的雷達(dá)波進(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)接收到的雷達(dá)波形、強(qiáng)度、雙程時(shí)間等參數(shù)便可推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對(duì)地下隱蔽目標(biāo)物的探測(cè)。這是一種非破壞性的探測(cè)技術(shù)，可以安全地用于城市建設(shè)中的工程場(chǎng)地，并具有較高的探測(cè)精度和分辨率［2］。

工作原理如圖2，圖3所示［2］。圖2中T為發(fā)射天線，R為接收天線，電磁波在地下介質(zhì)中遇到目標(biāo)體和基巖時(shí)發(fā)生反射，信號(hào)返回地面由天線R接收并記錄，通過(guò)主機(jī)的回放處理，就可以得到雷達(dá)記錄的回波曲線如圖3所示，圖3中橫軸代表地面坐標(biāo)探測(cè)的距離，t為目標(biāo)層雷達(dá)波的反射時(shí)間。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

2.5.2 應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)分析

地質(zhì)雷達(dá)法目前主要用于巖溶、含水帶探測(cè)，也可用于斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻地質(zhì)體探測(cè)。針對(duì)地下富水帶、巖溶等不良地質(zhì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)使用。

地質(zhì)雷達(dá)在完整灰?guī)r地段預(yù)報(bào)距離宜在30 m以內(nèi)，在巖溶發(fā)育地段的有效探測(cè)長(zhǎng)度則應(yīng)根據(jù)雷達(dá)波形判定，連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)前后兩次重疊長(zhǎng)度應(yīng)在5 m以上。它是目前分辨率最高的物探法，但是由于預(yù)報(bào)距離短，且易受洞內(nèi)機(jī)器、管線的干擾。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)記錄的回波曲線示意圖

2.6 紅外探測(cè)

2.6.1 探測(cè)原理

紅外輻射是由于分子振動(dòng)形成的，構(gòu)成地質(zhì)體的分子和時(shí)刻都在不停的振動(dòng)，它產(chǎn)生的能量不間斷的由內(nèi)向外傳播，從而構(gòu)成紅外輻射場(chǎng)。紅外輻射場(chǎng)有能量、動(dòng)量、方向和信息。地質(zhì)體向外發(fā)射紅外輻射時(shí)，將地質(zhì)體內(nèi)的信息傳遞出來(lái)。當(dāng)隧道前方圍巖較為均勻時(shí)，探測(cè)到的輻射場(chǎng)曲線具有正常特征;當(dāng)隧道斷面前方或外圍介質(zhì)存在災(zāi)害源時(shí)，災(zāi)害源產(chǎn)生的災(zāi)害場(chǎng)就一定會(huì)迭加到正常場(chǎng)上，從而使正常場(chǎng)中發(fā)生畸變，畸變段稱作紅外異常。

2.6.2 應(yīng)用領(lǐng)域及特點(diǎn)分析

紅外探測(cè)采用HY-303防爆紅外線探測(cè)儀，儀器小巧輕便，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)全空間全方位探測(cè)，可探測(cè)前方30 m范圍內(nèi)是否存在含水構(gòu)造、斷層、溶洞等。不占用施工時(shí)間，資料分析快速、簡(jiǎn)介、直觀，但是它對(duì)水量水壓等重要參數(shù)無(wú)法預(yù)測(cè)，對(duì)于水量、水壓大小及具體位置則不能探明，其有效探測(cè)距離只有30 m。紅外探水儀示意圖如圖4所示。

圖4 紅外探水儀示意圖

2.7 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

西氣東輸二線管道工程西段隧道群施工過(guò)程中實(shí)施了多次TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法和超前地質(zhì)鉆探法，效果很好;西段隧道已于2008年9月全部竣工，比計(jì)劃提前了2個(gè)月。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)使用后節(jié)約了施工時(shí)間、節(jié)省了投資，保證了隧道施工的安全。

3 結(jié)語(yǔ)

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，減少了隧道施工過(guò)程中的不確定性因素，減少了重大的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整或優(yōu)化設(shè)計(jì)以及施工方案，使隧道建設(shè)成為安全、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的優(yōu)質(zhì)工程。近年來(lái)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，在工程中應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，通過(guò)多種手段、多種方法的相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，使得預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度更高。目前，隨著理論研究的更加深入，它已經(jīng)發(fā)展成為一門重要的學(xué)科。

［1］ 鐵建設(shè)［2008］105號(hào)，鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南［S］.

［2］ 常 錚.地質(zhì)雷達(dá)的工作原理及應(yīng)用［J］.山西建筑，2007，33(21)：126-127.