隧道施工超前地质预报探析

张春玲　张　晶　王　亮

摘要:本文介绍了隧道施工超前地质预报的目的、内容及方法,探析了各种地质超前预报方法的机理及特点,分析了隧道施工超前地质预报的发展方向,以其为工程研究与应用提供借鉴。

关键词:隧道;超前地质预报;目的;内容;方法

引言。在隧道施工中,地质灾害(涌水、塌方、岩爆等)的发生严重影响工程进度,增加工程造价,导致工程事故时有发生,因此在隧道施工中进行准确快速的超前地质预报是十分必要的。采用超前地质预报,结合常规围岩变形监测等多种手段,对隧道的围岩实现掘进面附近时空变形的预测和预报分析,并对隧道的衬砌状态进行评价,为施工设计提供指导性依据和现场监控手段,能够达到安全施工和优化设计目的。开挖前对地质情况的了解,对于隧洞建设有着十分重要的作用,在工程实施中,超前地质预报广泛用于长、大隧道及重点工程的施工。

1隧道超前地质预报的目的

超前地质预报的目的就是要通过超前预报措施,及时发现异常情况,查明掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水特性,为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据,预防隧道施工中可能形成的灾害性事故,保证施工安全,提高施工效率,缩短施工工期,节约投资等。

2隧道超前地质预报的内容

2.1围岩类别预报

预报掌子面前方的围岩类别,软弱围岩及不同类别围岩的界面,判断前方围岩的稳定性,与设计文件进行比较,随时为修改设计、调整支护类型参数、确定二次衬砌时间提供可靠的数据。

2.2水文地质预报

预报洞内涌水量的大小,涌水压力及其变化规律,评价其对环境地质、水文地质的影响。

2.3不良地质体预报

预报掌子面前方一定范围内有无突水、突泥、岩爆,查明其范围、规模、性质,提出有效的施工措施或建议;预报断层破碎带或软弱夹层的位置、宽度、产状、性质和填充物的状态,判定其稳定性,提出科学合理的施工方案。

2.4隧道附近地质异常体预报

隧道施工中有些未被揭露或小部分揭露出的地质异常体有可能影响后期的隧道施工安全及今后的运营安全,所以有必要探明隧道附近未被揭露的隐伏地质异常体的性质和分布情况,评估其对隧道结构后期的危害程度,做出是否处理及如何处理的方案,实现隧道结构耐久性和安全运营的目标。

2.5有害气体预报

探明煤层、瓦斯、天然气、硫化氢赋存条件及采空区状况,预测隧洞内有害气体成分、含量及动态变化情况。

3隧道施工超前地质预报技术

超前地质预报的方法很多,根据实施方法可分为常规地质法和工程物理探测法。物探法是目前应用较为广泛的方法,常规地质预报经常是在物探法怀疑前方有不良地质体时采用。

3.1常规地质法

3.1.1水平超前钻孔

用钻探设备向掌子面前方钻探,直接揭示隧道掌子面前方几十米地层的岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体完整程度等资料,比较直观,还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标,适用于已经基本认定的主要不良地质区段。但在复杂地质条件下预报效果较差,很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理,与隧道轴线平行的结构面以及钻孔与钻孔之间的地质情况也反映不出来。

3.1.2超前导坑

超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。平行导坑的布置平行于正洞,断面小而且与正洞之间有一定的距离,在施工过程中通过对导坑中遇到的构造、结构面或地下水等情况绘制地质素描图,对正洞的地质条件进行预报。

超前平行导坑法最为直观,精确度高,预报距离长,施工单位可提前了解隧道开挖断面的地质情况,安排施工计划和调整施工方案;超前正洞导坑布置在正洞中,其作用与平行导坑相比,效果更好。采用超前导坑的缺点是成本高,影响施工进度。

3.1.3地质素描

地质素描是利用所见已开挖段的地质情况,预报前方可能出现的不良地质条件。素描的主要内容包括地层岩性、构造发育情况、地下水状态、围岩稳定性及初期支护方法等。地质素描法预报不占用施工时间,设备简单,不干扰施工,出结果快,预报的效果好,而且为整个隧道提供了完整的地质资料。但地质素描对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报,对于向掌子面前方倾斜的结构面因为先在顶部出现,预报时效果相对较差。

3.2工程物探法

3.2.1红外探测

地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化,当隧道掌子面前方及周边介质单一时,所测得的红外场为正常场;当前方存在隐伏含水构造或有水时,所产生的场强会叠加到正常场上,从而使正常场产生畸变。据此可判断掌子面前方一定范围内是否有隐伏的含水体。该方法测量快速,施工干扰小,有较高的定性判别准确率,但无法预报水量和含水体前方具体位置等定量指标。

3.2.2声波探测

声波对裂隙反应很敏感,声波探测利用声波遇到裂隙即发生介面效应(反射、折射和绕射),耗损波能,使波形变得复杂,波速减缓的特性,通过探测反射信号,求得其传播特征后,即可了解工作面前方的岩体特征。用于探测划分隧道围岩级别,划分地层界线,探测隐伏断层、破碎带,探测岩溶、地下洞穴,测定含水层分布,查找地质构造,探测不良地质体的厚度和范围等。

3.2.3电磁波法

电磁波法是利用电磁波在不同介质中产生透射、反射的特性来进行地质预报工作的,目前常用的方法有地质雷达法(GPR)。地质雷达法通常是一种地下甚高频至超高频段电磁波反射探测法,该方法主要是配合地震反射法(负视速度法),通过测定与岩溶含水性有关介电常数的变化来探测充水地质体,探测距离一般小于30m,在潮湿含水层中小于10m,广泛用于探测隐伏断层、破碎带;探测地下岩溶、洞穴;探测地层划分、岩性界面等。试验表明,采用地质雷达对隧底、边墙、隧顶外围岩的不良地质探测效果最好,结合超前平导应用可对正洞起到超前预报的作用。

3.2.4地震波法

常用的地震波法包括隧道地震超前预报系统(TSP)、负视速度法(TVSP)和水平声波剖面法(HSP)等。TSP法是我国20世纪90年代从瑞士安伯格(AMBERG)测量技术公司引进的一套先进的地质超前预报探测系统,也是我国目前应用较为广泛的一种方法。TSP法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波设计的震源点(通常在隧道的左墙或右墙处,大约24个炮点)常由小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化等)时,一部分地震信号反射回来,另一部分信号透射进入前方介质,反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析,便可推断断层、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩土力学参数。通常地质条件下,TSP203超前地质预报系统可以预报150m～250m的距离,在地质条件较好时,可以预报更长的距离。

4隧道超前地質预报展望

尽管隧洞施工超前预报已引起国内外隧洞工程界的重视,也做了许多卓有成效的工作,但到目前为止还没有一套系统的普遍适用的方法,国内外隧洞工程的重大地质灾害仍时有发生。因此,准确预报开挖前方的地质条件是隧洞建设者们的迫切要求。加强隧道超前地质预报理论研究,加强探测新技术、新方法的研究和先进仪器的研制与开发,同时建立不良地质界面的特征识别模式和不良地质体的判定指标,以及岩体类别划分的定量化指标,充分利用常规地质预报和不同物探设备各自的特点,相互配合验证,实施综合超前地质预报等方面是隧道超前地质预报工作亟待进一步发展和解决的问题。

5结语

地质超前预报在隧道施工中具有重要的指导意义,它在很大程度上消除了施工的盲目性,确保了施工的安全进行。隧洞施工超前预报是一项复杂而艰难的任务,需在工程实践中不断创新、优化、总结、完善和提高,隧洞施工超前预报工作任重而道远。

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确

作者简介:张春玲(1970-),女,助工,研究方向:地质工程。

张晶(1983-),女,学士,助工,研究方向:岩土工程。

王亮(1980-),男,工学硕士,讲师,研究方向:地下与隧道工程,建筑工程。