超前地质预报在隧道施工中的应用探讨

2015-04-07王文清

四川水泥 2015年12期

关键词：导坑掌子面隧道

王文清

（四川公路桥梁建设集团有限公司隧道分公司四川双流 610200）

超前地质预报在隧道施工中的应用探讨

王文清

（四川公路桥梁建设集团有限公司隧道分公司四川双流 610200）

隧道所处地段地质条件复杂多变，勘察设计人员很难对隧道的地质结构进行准确勘察。在进行隧道开挖过程中经常会遇到断层破碎带、富水带和岩溶等不良地质体，这些不良地质体的出现大大增加了隧道开挖难度。因此，对隧道地质构造进行超前地质预报工作，是避免掘进过程中出现突水、突泥等灾害，减少人员伤亡和经济损失的有力手段。

超前地质预报隧道施工应用

引言

隧道穿越区域中，如遇隐伏岩溶、断层等较大不良地质区段，会导致施工过程中突水、突泥、坍塌、区域沉陷、有害气体突出等地质灾害或不良的环境影响，并给隧道结构安全与今后的运营留下隐患。为规避施工风险，科学组织武广客运专线隧道施工，需要采取多种手段，分级管理，开展综合超前地质预报工作，较准确地预报隧道地质情况，制定可靠的处理方案和技术措施，及时采取预防手段与应急预案，确保隧道安全顺利地通过隧道不良地质区段。

1. 道地质超前预报的内容

隧道地质预报在道路施工建设过程中发挥着至关重要的作用，一方面能提高隧道施工的安全性，另一方面还能提高施工质量，是现代社会道路施工发展建设的主要手段之一。隧道地质超前预报要求工作人员通过地质推断法将岩石周围的地质变化趋势展现出来，并利用物探方法预报前方围岩的实际状况，预报工作人员结合自身专业经验和地质分析原理了解前方的地质状况和围岩的等级类别，并判断可能出现事故的围岩类型和场所，最后，针对问题提出具有科学性的解决措施。不良地质体涉及范围非常广，主要包括破碎带、溶洞、节理密集带以及富水带等，以上各位置的性质、特点是超前预报的基础和主要依据，并对超前预报的结果有至关重要的影响。另外，地质原理分析和推断还存在着典型的成灾型，这是地质超前预报中至关重要的环节，此环节还会直接成为提出施工建议的主要依据。因此，地质条件预报、灾害类型及可能性预报以及围岩级别预报和施工建议之间存在紧密联系，其中，地质条件预报直接决定灾害类型和人围岩级别预报，在确定以上各参数后结合隧道施工实际状况制定科学合理的施工方案。

2. 道施工中不良地质超前预报方法分析

2.1 常规地质超前预报法

2.1.1 地质素描法

在隧道超前地质预报中，人们最早使用的方法便是地质素描法。地质素描法是利用地质理论和作图法，准确地将隧道掌子面及其周边所揭露的地层构造、结构面产状、地下水出水情况等一一记录并绘制成图表，然后，与设计地质资料对比，来预测隧道开挖面前方地质条件。在隧道开挖过程中，每一开挖循环均要求作地质素描图来推断前方地质。地质素描图主要内容，包括断层、破碎带的位置、产状、规模，地下水出水点情况等。

2.1.2 超前导坑预报法

超前导坑预报法有平行导坑和正洞导坑法两种，其中，平行导坑法断面小，在实施过程中要做必要的测试试验，并同时做好相关记录，对隧道穿越地层分布结构情况进行平面的展示，做出地质素描图，可以指导较小间距的平行隧道，对隧道施工进行预报。正洞导坑法的精度优于平行导坑法，它是先确定隧道的中心轴线，沿隧道的正洞开挖出小导坑，进行初步探测，再将小导坑进行扩大为断面，实现超前预报功能。我国的北京八达岭隧道施工就运用了这一方法。

2.1.3 超前水平钻孔预报法

这一预报方法是将钻机设备移入隧道之内，按照水平方向钻进，根据钻机钻进的速度测试、岩芯采取率、强度鉴定等数据，来推断隧道掌子面前方的岩层节理构造、岩体的地形构造等大概情况，隧道施工人员可以对这些检测数据进行分析，如：对岩芯采取率的鉴定，如果岩芯采取率低，则表明有裂隙在形成和发育；如果岩芯采取率高，则表示岩体没有裂缝，完整性良好，完成地质超前预报。但是，这种超前水平钻孔预报方法也有其局限性，即往往出现隧道施工中，由于这种方法的“一孔之见”而导致不良地质体的漏报，使之无法准确预报复杂的地质地形条件，对隧道掌子面前方的小断层及与轴线平行的断面也无法进行准确预测，还有待于更多的探索和实践应用。

2.2 地球物理超前预报方法

2.2.1 TSP预报法

TSP（Tunnel Seismic Prediction）是隧道地震波法的简称。TSP设备由瑞士安伯格研发生产，采用回声测量原理，在我国应用较广泛。TSP法的地震波信号通常由小量炸药爆炸产生，其传播到不同的岩层界面时被反射，产生的反射波被三维高灵敏度的地震检波器接收，利用计算机软件对反射波进行解析，可推断掌子面前方地质情况。在确定相关参数的准确性后，预报人员通过反射波数据库的基本情况进行深入研究分析，就可以准确判断相关隧道剖面及岩石的物理性质和基本力学参数，隧道施工建设以此为依据便能在保障安全性和可靠性的同时在更短的时间内完成。

2.2.2 红外探水预报法

通常情况下，在应用红外探水原理之前，工作人员必须确定一个比较稳定的地质体，并将该地质体作为探测对象所必须的场源，由于探测对象所形成的红外场强度和场源本身的场强度几乎保持一致，如果地质体中含有一定地下水，此时，地下水场源产生的红外场将直接影响地质体场源多产生的红外场。以围岩红外场的变化来预报前方是否含有水体，并以隧道的走向为依据，判断红外探水与场源强曲线之间的关系。最后，在利用红外探水原理进行隧道超前地质预报的过程中还应该根据实际探测状况建立各监测点的场强与测点到掘进面的距离之间的函数关系，并绘制函数关系示意图，再结合函数图形的基本特点完成超前探水预报要求。

2.2.3 地质雷达预报法

地质雷达法简称GPR（Ground Pene－trating Radar），其利用发射天线向隧道掌子面前方地层发射脉冲形式的高频电磁波，经地层界面反射回掌子面的回波信号由另一天线接收，对回波信号进行分析，可短距离预报掌子面前方地质。地质雷达法对含水带、破碎带等不良地质拥有较高的识别能力，在富水地层以及溶洞发育地区和深埋隧道，效果好，应用较广泛，具有操作速度快、对施工干扰小、探测精度高等优点。

3. 道施工中超前地质预报方法的选择

上面介绍的预测方法，各自有不同的运用情况，应该选取合适的方法加以应用。首先在预报方法选取上要遵循一定的原则，比如要保证施工时所用时间不能过长，对施工产生的影响应该尽量小，预报误差应该小于 5%，可以完整掌握地质结构、含水状况、破碎程度、完整性等。遵循这些原则，选择合适的预报方法。另外预报方法的选取还应当充分考虑地质风险等级，地质风险等级与预报方法的选取直接相关，要在判断国风险等级之后再来选取预报方法。

根据公路隧道地质风险等级划分标准，把地质风险等级划分成了四个等级，分别是A级、B级、C级、D级，四个等级代表的分别是特大型地质风险、大型地质风险、中～小型地质风险、局部小型地质风险，除了这四个基本等级之外还可以根据工程地质状况在各个等级下面划分出亚级，通过这种方式来反映那些介于其中两个等级之间的地质风险。当确定了地质风险等级之后，可以参照《不同地质风险等级的预报方法选取标准》来确定预报方法。