文 中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測技術(shù)有限公司 王憲偉

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略和“一帶一路”戰(zhàn)略的穩(wěn)步實(shí)施，國家加大了對西部交通基礎(chǔ)設(shè)施的投入，公路建設(shè)逐漸向中西部轉(zhuǎn)移。中西部地區(qū)含有大量的山脈和丘陵，致使隧道建設(shè)項(xiàng)目逐年增長。隧道工程屬于隱蔽工程，由于地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)勘察技術(shù)受限等因素，往往很難全面掌握隧址區(qū)的工程地質(zhì)情況。特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜的云南地區(qū)，含有大量的巖溶、斷層、富水帶和破碎帶等不良地質(zhì)，極易發(fā)生涌水、突泥和巖爆等工程地質(zhì)問題，給施工帶來了極為嚴(yán)重的影響，不僅影響工期，施工人員的安全性也難以保障。為了避免隧道施工過程中由不良地質(zhì)所帶來的危害，針對隧道的實(shí)際情況，運(yùn)用不同的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法對隧道開展超前預(yù)報(bào)尤為重要。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

隧道超前預(yù)報(bào)一般是指通過鉆探和物探等技術(shù)手段獲取隧道開挖前方巖土體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和狀態(tài)等信息，為隧道開挖提供一些指導(dǎo)建議。目前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法一般可以分為地質(zhì)調(diào)查法、直接觀測法、地球物理探測法和紅外探測法。

地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法依據(jù)隧道現(xiàn)有的勘察資料、地表地質(zhì)調(diào)查資料和隧道內(nèi)的地質(zhì)素描，采用地質(zhì)學(xué)相關(guān)理論方法分析、論證現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，進(jìn)而推斷隧道施工前方的工程和水文地質(zhì)情況。地質(zhì)調(diào)查法作為一種簡單快捷的分析方法，在很早以前就被用于隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，在隧道施工中較為常見。預(yù)報(bào)過程并不影響隧道的正常施工，而且僅使用地質(zhì)羅盤、數(shù)碼相機(jī)等簡單的設(shè)備，預(yù)報(bào)效率高，費(fèi)用相對較低。但該方法在檢測與隧道交角較大而又前傾的結(jié)構(gòu)面時(shí)容易漏報(bào)，只能定性分析出不良地質(zhì)的大致方位，并不能定量分析出不良地質(zhì)準(zhǔn)確的規(guī)模和位置，預(yù)報(bào)具有很強(qiáng)的主觀性，與操作人員的地質(zhì)知識水平和經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)。

超前水平鉆探現(xiàn)場施工

直接觀測法

·超前水平鉆探

超前水平鉆探法通過在掌子面正前方安放鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆孔，根據(jù)采集鉆進(jìn)速度、鉆芯強(qiáng)度、鉆孔沖洗液顏色和氣味的變化情況來判斷前方的地質(zhì)條件。預(yù)報(bào)結(jié)果具有準(zhǔn)確性和客觀性，可以直觀準(zhǔn)確地反映出鉆孔距離范圍內(nèi)巖層展布、圍巖巖性、完整性、節(jié)理、斷層、空洞和地下水的分布情況，煤系地層還可進(jìn)行孔內(nèi)煤與瓦斯參數(shù)測定，提前采取防治措施，以免煤和瓦斯突出造成安全事故。該方法費(fèi)用較高，會影響隧道的正常施工，采集的數(shù)據(jù)僅是鉆孔附近的地質(zhì)情況，盡管鉆孔的數(shù)量和位置可以人為布置，但很難將整個(gè)面的情況完整地預(yù)報(bào)出來。

為了提高超前水平鉆探預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，研究人員開發(fā)了多功能超前水平鉆探，即在常規(guī)鉆探的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采集鉆孔推進(jìn)速度、推進(jìn)力、扭矩、旋轉(zhuǎn)速度，并將這些參數(shù)進(jìn)行耦合，找出耦合參數(shù)與各種不良地質(zhì)之間的相關(guān)性。其中，提高兩者之間的相關(guān)性識別，是提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。扭矩、鉆進(jìn)速度、推進(jìn)壓力和旋轉(zhuǎn)速度耦合后，研究人員提出了鉆進(jìn)攻速比的概念，發(fā)現(xiàn)攻速比與圍巖巖性和結(jié)構(gòu)面有較好的相關(guān)性，并給出了巖性與結(jié)構(gòu)面對應(yīng)攻速比的范圍。鉆進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速和推進(jìn)力耦合后，提出了鉆進(jìn)比功的概念預(yù)報(bào)不良地質(zhì)。

·超前導(dǎo)坑法

超前導(dǎo)坑法按照導(dǎo)洞位置一般可以分為平行導(dǎo)坑法和超前正洞導(dǎo)坑法。超前平行導(dǎo)坑法通常是在平行于隧道正洞軸線一定距離開挖導(dǎo)坑，以此分析施工隧道開挖正洞的地質(zhì)情況；而超前正洞導(dǎo)坑法通常是在隧道正洞軸線區(qū)域開挖小導(dǎo)坑，預(yù)先分析隧道掌子面前方地質(zhì)環(huán)境，得出結(jié)果后，再將導(dǎo)坑擴(kuò)展為隧道斷面。該方法雖然預(yù)報(bào)精度較高，但費(fèi)用很高，施工工期也相對較長，在國內(nèi)外隧道建設(shè)中應(yīng)用很少。

電磁法

·地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)由發(fā)射天線高頻的電磁波以寬帶短脈沖形式向隧道掌子面前方發(fā)出，在電磁波向掌子面前方傳播的過程中，遇到不良地質(zhì)條件時(shí)，電磁波會與圍巖基巖之間產(chǎn)生電性差，電磁波便在不同電性介質(zhì)交界面發(fā)生反射，由接收天線接收反射波。根據(jù)雷達(dá)波形、電磁場強(qiáng)度、振幅和雙程走時(shí)等參數(shù)，使用相應(yīng)雷達(dá)資料處理軟件處理和分析現(xiàn)場采集的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，便可得到各測線的成果圖，以此推斷掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造及目標(biāo)體的位置、深度和幾何形態(tài)。

由于不同介質(zhì)的典型差異較大，不同地質(zhì)所反映出的雷達(dá)圖像也會有明顯的差別。完整、較完整巖體較為均勻，其介電變化較小，沒有明顯的反射面，雷達(dá)圖像上電磁波距離較長，能量緩慢衰減且均勻，雜亂反射較少。遇到斷層時(shí)雷達(dá)圖像會出現(xiàn)明顯的強(qiáng)反射面，波形雜亂，同向軸錯(cuò)位，常發(fā)生繞射、散射等情況，能量衰減較快，這是斷層內(nèi)所含介質(zhì)的電性差異很大，同時(shí)斷層處的巖石較為破碎所導(dǎo)致。由于水的介電常數(shù)較大，與圍巖有著明顯差異，電磁波在經(jīng)過含水帶時(shí)，常常發(fā)生繞射、散射現(xiàn)象，脈沖周期明顯增多，能量衰減較快且分布不均勻，通過雷達(dá)圖像可以準(zhǔn)確反映出各種不良地質(zhì)的位置類型。地質(zhì)雷達(dá)法是目前公認(rèn)的分辨率最高的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，對破碎帶、含水帶和溶洞的識別能力強(qiáng)，但容易受到外界環(huán)境的干擾，預(yù)報(bào)距離較短，一般在25米左右，多用于短距離探測。

地質(zhì)雷達(dá)反射探測原理

地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場檢測

由于地質(zhì)雷達(dá)法具有預(yù)報(bào)準(zhǔn)確和檢測靈活等優(yōu)勢，在隧道超前預(yù)報(bào)中一般當(dāng)做常規(guī)化檢測。運(yùn)用超前地質(zhì)雷達(dá)法檢測隧道，通過分析數(shù)據(jù)圖像可以分析巖石的完整性、斷層和含水等情況，可取得比較滿意的效果。通過地質(zhì)雷達(dá)法對山頭頂隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)檢測，預(yù)測結(jié)果與原設(shè)計(jì)基本相符，及時(shí)加以處置可預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

·大地電磁法

大地電磁測深法(MT)是利用天然交變電磁場研究地球電性結(jié)構(gòu)的一種地球物理勘探方法,它利用電磁感應(yīng)的趨膚效應(yīng),保持輻射源和接收點(diǎn)的距離不變,改變電磁場的頻率從而達(dá)到探測目的。大地電磁法屬于半空間瞬變響應(yīng)，能反映出地表以下的地質(zhì)情況，頻率較高的數(shù)據(jù)反應(yīng)淺部的特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反應(yīng)較深地層的信息。以EH-4大地測深儀為例，通過人為設(shè)置一個(gè)場源來激發(fā)電磁場，測量遠(yuǎn)處的天然電磁場和人工電磁場來計(jì)算大地電阻率。由于不同介質(zhì)的電阻率不同，通過分析電阻率的差異，來研究地下電性界面的變化，以此區(qū)分不良地質(zhì)體的存在。

4EH-4法工作示意圖

4EH-4法成果圖

大地電磁法對不良地質(zhì)的識別有良好的效果，在工程中的應(yīng)用相對廣泛。采用大地電磁法勘探云南新莊隧道，通過電阻率等值線斷面圖和地質(zhì)資料基本可以查明巖溶、軟弱夾層、斷層、巖體破碎及含水情況。結(jié)合高密度電法和大地電磁法勘測廣東省廉江大垌礦區(qū)，兩種方法對巖溶的范圍、大小和埋深的識別都有較好的效果，現(xiàn)場實(shí)際鉆探與預(yù)報(bào)基本吻合。運(yùn)用音頻大地電磁法檢測礦坑的巷道，劃分了圍巖級別并確定出了巖體破碎等不良地質(zhì)的范圍及規(guī)模，并改進(jìn)了采集方法，提高了其抗干擾能力。

·瞬變電磁法

瞬變電磁法是通過發(fā)射脈沖電磁場，在脈沖電磁場的間歇，采集由電磁場所產(chǎn)生的渦流場，進(jìn)而分析各個(gè)位置的電磁場差異，預(yù)報(bào)掌子面前的空間地質(zhì)情況。

早在20世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家就將瞬變電磁法應(yīng)用地質(zhì)勘察中。70年代開始，該技術(shù)逐漸在國內(nèi)開展，主要應(yīng)用于金屬礦藏勘探，后來被逐步用于隧道的超前檢測。與大地電磁法不同，工程隧道瞬變電磁法屬于全空間瞬變響應(yīng),這可以反映出周邊巖層的地質(zhì)情況。該方法對于地下水的敏感度較高，常用于地下水源、含水裂隙帶等不良地質(zhì)的勘測。目前瞬變電磁法已被大量應(yīng)用在隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中。研究人員檢測了尚崗1號隧道，成功預(yù)報(bào)了前方富水地帶，證明了瞬變電磁法在探水方面的準(zhǔn)確性。瞬變電磁法檢測隧道施工前方的富水情況，加之多測線、多方位的檢測方式，綜合分析檢測數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)出地下水的空間分布情況，通過超前水平鉆探驗(yàn)證，兩者結(jié)果基本吻合。傳統(tǒng)的瞬變電磁法改良后，得出一種能從水平和豎直方向進(jìn)行多角度探測的共軸偶極法，經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，改良后可以明顯提高含水裂隙帶和巖溶裂隙等含水不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

瞬變電磁法感應(yīng)原理

瞬變電磁法現(xiàn)場檢測

地震波法

地震波探測技術(shù)的預(yù)報(bào)距離一般在100米至150米之間，屬于中長距離預(yù)報(bào)，主要是利用炮點(diǎn)產(chǎn)生有效地震波，在巖石中傳播。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r層情況與周圍巖體不同的區(qū)域，如裂隙、斷層、地下水體、淤泥等地質(zhì)體時(shí)，一部分地震波會在不同的地質(zhì)體中繼續(xù)傳播，但也有一部分地震波會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，不同的地質(zhì)體令地震波反射波形的頻率、速度、相位等也有所不同，此時(shí)通過對接受到的反射波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并分析波形，可以判斷出前方的探測范圍內(nèi)可能存在的裂隙、斷層、地下水體、淤泥等地質(zhì)體的空間位置、規(guī)模大小等具體情況。

地震波反射法按照觀測方式又可以分為直線觀測方式、空間觀測方式和極小偏移距觀測方式。

瑞士安貝格公司（Amberg）研制TSP系統(tǒng)和鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院的地震負(fù)視速度法均采用直線觀測方式，二者都是采用觀測面與被觀測面垂直的觀測系統(tǒng)，原理相同、方法類似。TSP系統(tǒng)是目前國內(nèi)隧道超前預(yù)報(bào)中最為常見的檢測方法，該方法對不良地質(zhì)的識別效果較好，但對含水體的識別效果較差。北京水電物探研究所在2005年對TSP系統(tǒng)的檢波器和耦合方式做了改進(jìn)，數(shù)據(jù)處理軟件重新編程，推出了新的TGP系統(tǒng)，觸發(fā)系統(tǒng)更為靈敏，數(shù)據(jù)處理軟件更符合人機(jī)工程學(xué)原理。

空間觀測方式的代表是美國生產(chǎn)的TRT系統(tǒng)和國產(chǎn)的TST系統(tǒng)，采用的是空間多點(diǎn)接收和激發(fā)。檢波器和敲擊點(diǎn)呈空間分布,能充分獲得空間波場信息，以提高不良地質(zhì)體的定位精度，這與垂直剖面法的觀測方式明顯不同。相對于TSP系統(tǒng)，該方法的精度有所提高，可以更好地識別不良地質(zhì)的類型、位置和規(guī)模。

地震波法反射探測原理

陸地聲吶法采用極小偏移距觀測方式，屬于地震反射法的變種，結(jié)合了水聲發(fā)和地質(zhì)雷達(dá)法的部分特點(diǎn)演化而來。該方法不必固定檢波器，采用黃油涂層的方式將檢波器與巖層耦合，采用錘擊作為震源，效率相對較低，但對巖溶、洞穴、斷層和破碎帶的識別效果較好。

紅外探測法

一切溫度高于絕對零度的物質(zhì)都會產(chǎn)生紅外輻射，而且不同物質(zhì)所發(fā)射的紅外線波段是不同的，紅外探測法便是利用采集紅外光，區(qū)分波段的不同，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的探測。由于波段不同，其產(chǎn)生的輻射能量也不同，輻射場也不盡相同，當(dāng)正常巖體的輻射場與水體產(chǎn)生的非正常場相疊加，就會產(chǎn)生干擾畸變，通過分析不同測線的變化情況，從而判斷含水帶的位置。紅外探測法預(yù)報(bào)時(shí)間段，儀器攜帶方便，對于水體的識別準(zhǔn)確度較高，一般預(yù)報(bào)距離在30米以內(nèi)，只能定性地確定含水位置，并不能預(yù)報(bào)含水量。該方法對于儀器的操作要求較高，若出現(xiàn)儀器操作失誤或讀數(shù)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)分析便會產(chǎn)生較大的出入。雖然精度較高，但對探測環(huán)境要求較高，若掌子面圍巖有水，會對探測結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。溫度高于40℃也會造成數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，這就大大限制了該方法的適用性，在現(xiàn)場隧道預(yù)報(bào)中應(yīng)用較少。

方法選擇

隧道施工作為一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有諸多不可控因素，因此做好隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，才能有效保證施工質(zhì)量和進(jìn)度。目前沒有哪一種方法可以完全準(zhǔn)確地檢測出所有的不良地質(zhì)類型，地質(zhì)調(diào)查法方便快捷但對檢測人員的專業(yè)要求較高，而且容易漏報(bào)；超前水平鉆探觀察直接但費(fèi)用較高、時(shí)間較長；地質(zhì)雷達(dá)法數(shù)據(jù)準(zhǔn)確但預(yù)報(bào)距離較短；瞬變電磁法只對富水區(qū)敏感；TSP法對預(yù)報(bào)斷層、破碎帶和巖溶的識別性較高，但對圍巖要求較高；陸地聲吶法可以檢測斷層、破碎帶和巖溶等不良地質(zhì)但效率較低。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法多種多樣，但各有利弊，所以要有效地將各種方法結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，才能準(zhǔn)確反映出掌子面前方的地質(zhì)情況，更好地指導(dǎo)施工，保證施工進(jìn)度和人員安全。

隧道超前預(yù)報(bào)過程中一般遵循“洞內(nèi)與洞外相結(jié)合、長距離與短距離相結(jié)合、鉆探與物探相結(jié)合”的檢測原則。洞外檢測一般在原有地質(zhì)勘察資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用大地電磁法全面檢測隧址區(qū)，得到詳細(xì)的物探資料，施工單位可以更好地安排工作施工進(jìn)度。洞內(nèi)通過地質(zhì)調(diào)查法初步描述掌子面，然后運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)法短距離檢測，綜合分析掌子面描述與地質(zhì)雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)，得到一個(gè)短距離預(yù)報(bào)。根據(jù)大地電磁法的物探報(bào)告，采用瞬變電磁法檢測對于可能富水的段落，結(jié)合超前水平鉆探，對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。若圍巖條件較好，可以采用TSP系統(tǒng)檢測，更好地確定前方是否存在斷層和破碎帶等不良地質(zhì)，圍巖條件較差，可采用陸地聲吶法來檢測。以地質(zhì)雷達(dá)作為主要方法，TSP法和瞬變電磁法作為輔助手段，建立起系統(tǒng)、立體的綜合性預(yù)報(bào)體系。這種組合方式最大化地發(fā)揮出各種方法的優(yōu)勢，形成了由點(diǎn)到面、由定性到定量的預(yù)報(bào)方法，從而大大減少了突水涌泥等災(zāi)害的發(fā)生。

發(fā)展趨勢

目前檢測手段眾多，超前水平鉆探和超前導(dǎo)坑法檢測時(shí)間較長，需要暫停施工；地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)距離較短，而且容易受到外界因素干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，也需要停止施工，難免會影響施工進(jìn)度。未來低效率、短距離的預(yù)報(bào)方法會隨著長距離預(yù)報(bào)方法精度的提高而逐漸消失，由此保證隧道高質(zhì)量高效率地開展施工。

當(dāng)今社會是一個(gè)信息高速發(fā)展的時(shí)代，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷普及，信息的實(shí)時(shí)共享成為了可能。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)最重要的就是時(shí)效性，檢測單位的預(yù)報(bào)結(jié)果及時(shí)送達(dá)施工單位，才能保證隧道建設(shè)的高效進(jìn)行。雖然檢測單位在24小時(shí)內(nèi)可以出具預(yù)報(bào)報(bào)告，但報(bào)告需送到業(yè)主方，而后轉(zhuǎn)交到施工單位，時(shí)效性也大打折扣，未來可以構(gòu)建隧道信息數(shù)據(jù)共享平臺。首先施工單位可以實(shí)時(shí)返回隧道施工現(xiàn)場的信息，檢測單位據(jù)此選擇合適的檢測方案，其次檢測單位的預(yù)報(bào)結(jié)果可以實(shí)時(shí)送達(dá)施工單位，以便及時(shí)采取對應(yīng)的防治措施，最后業(yè)主也可以清晰完整地了解隧道施工進(jìn)度等信息，從而使隧道建設(shè)高效運(yùn)行。

通過對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的總結(jié)歸納，分析了各種預(yù)報(bào)方法的利弊，也探討了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的發(fā)展趨勢。檢測人員要因地制宜地選擇合理的預(yù)報(bào)方法，建立起綜合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，才能更好地推動隧道事業(yè)的良性發(fā)展。

截至2019年，我國公路隧道數(shù)量為19067座，同比增長7.5%，隧道總長度達(dá)到1896.66萬米，同比增長10%。（攝影：趙廣亮）