试论隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势

2015-04-16孙凤成

建材与装饰 2015年23期

关键词：掌子面声波隧道

孙凤成

（中国铁建十一局第三工程有限公司　湖北　黄石　435001）

试论隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势

孙凤成

（中国铁建十一局第三工程有限公司湖北黄石435001）

本文就隧道工程施工超前的地质预报研究现状进行分析，探讨常用隧道预报分析方法基本原理，进而更好的开展隧道施工，同时保证隧道施工的安全与质量，更好的为交通行业做贡献。

隧道施工；超前地质预报；发展趋势

1　前言

自从我国进行改革开放以来，国民经济发展迅速，政府在基础设施建设方面也加大了力度。就目前而言，政府在公路上的投资量巨大，为降低植被破坏、缩短里程与改善路线，就需要开挖山体或是进行隧道的修建。同时为预防因此导致的一些地质损坏，使得隧道施工的进度达到施工要求，就需要使用优良勘察技术与现行探测手段，以便及时实施超前预报和探测。

2　隧道工程施工超前的地质预报具体研究的现状分析

就目前的隧道工程看来，工程施工中的一个不可替代的组成部分就是地质预报，也就是隧道施工过程中科学合理应用不同的施工手段、技术与方式，有效预判以及准确、及时分析隧道施工的掌子面方围岩实际状况，进而使得施工人员有一个全面了解，及时采取有效策略来应对，以免发生各种地质的灾害，进而降低灾害的损失，同时使得施工的安全性得以提高。因为隧道工程实际地质的条件比较复杂，因此施工超前的地质预报达到工程效果也存在差异，这就需要使用各种不同技术手段与预报方法。其中较为常用的预报方式包含以下三种：

2.1关于超前地质的钻探与导坑法

这种方式事实上就是直接探测方法，该方式可以直接呈现施工中掌子面的前方地质实际情况，并准确预报掌子面的前方地质情况。且在准确度上优势比较明显，具体分为下面两种方式：

2.1.1超前的导坑法

也就是借助超前的导坑来揭示隧道地质实际情况，更好的指导隧道的支护和开挖。

2.1.2关于超前水平的钻孔法

通常可以在施工一侧耳室或者是掌子面实施超前水平的钻孔，再通过岩芯强度的实验与钻进速度的测试等方式来探究掌子面的前方岩层完整性、软硬程度、岩体性质与含水情况。

2.2物探法

这个方式主要是从岩土体间不同物理性质进行分析，同时借助不同探测方式与仪器，探测隧道施工现场地球的物理变化，更好的对水文地质状况进行判断，也就是间接测试的方法。因为物探法在掌子面的施工方面基本没有影响，在地址破坏方面的程度较轻。因此，该方式近几年发展速度较快，其中具体物探法分为以下几种：

2.2.1声波的反射法

这个方式在弹性波的探测范围内，主要就是使用声波传播的特征，同时与隧道地质勘测的资料充分结合，对岩土体的工程地质特性进行判断。该方式探测距离一般在70～90m之间，主要优点就是掌子面占用施工时间不多、费用较低与预报准确，以及方法自身较为简单与可操作性比较强。

2.2.2关于TSP法

该方式是目前我国隧道施工地址预报过程中比较先进的方式，其基本原理就是借助通过人工激发的地震波，来对反射波进行接收，根据不同介质中波传播特异差异，再通过分析反射波的信号，对掌子面的前方不良的地质体进行预测，例如：溶洞、软弱面与富水带，从而获得不良地质规模、可靠位置与形状。该方法的显著优点就是施工过程掌子面占用空间不大、长距离探测与具有较强抗干扰的能力等。

2.2.3红外的探水法。

这种技术主要用在隧道的掌子面中前方的含水体探测，基本原理是，因为水体内部与地质体中不同运动特点，通常在红外的辐射波作用下，会出现不同的强度辐射场，再借助相关探测仪测量掌子面的前面范围内围岩体的红外场实际强度，这样就可以对掌子面的前方含水体进行判断。

2.3地质法

就目前而言，我国隧道施工中超前地质的预报过程比较常用的方式就是地质法，主要就是根据掌子面、地表与隧洞调查实际结果来实施超前的预报。也就是按照地表中外露岩石体实际风化情况、结构面具体形状与发育破碎的机理，同时借助地质构造与地质图相关性的分析，推断隧道中岩石体的结构面穿越深度出露的位置，更好的推测隧道中掌子面的前方出现地质构造的情况。而地质法主要包含以下两方面的内容：

2.3.1地质的素描

实施隧道开挖后，需要迅速调查掌子面地质的情况，同时按照这些情况作出详细地质跟踪的记录，并绘制掌子面剖面图，从而获取前方不良的地质体实际信息。

2.3.2地表与地质的调查

也就是通过展开大范围以及细致的隧道地质调查的工作，并复核地勘的资料，还有掌握水文、地质实际情况，给隧道施工中超前地质的预报提供可靠依据。

3　普遍应用的隧道施工预报方法基本的原理

3.1关于红外探水的超前地质情况预报方式

地球中地热场在地球表面岩体温度调节中有着主导作用，在相关深度的范围之内，只要深度增加1000m，地热场温度就会增加30℃，但是在垂直水平的方向，相关地热场温度变化比较小，也就可以看出在规定深度之下，隧道岩体的开挖，可以把其看成在温度恒定的场中，其温度几乎不会发生变化。因此，当即将进行掌子面开挖时，后方则会存在水体岩层，例如：裂隙水与溶洞等，而且该开挖岩体和含水岩层如果存在一定温差时，相关岩体就会出现相应对流与热传导作用，温度场也就不再是恒温场，因此就会出现一定温度的易热场，因为存在这种异常情况，掌子面也就会存在温度差异，也就需要利用红外的辐射测温方式来测定这类温度变化的差异，也就可以准确的对掌子面中前方含水层实际情况进行预报。

3.2其余几种隧道施工超前预报的方法

关于超前预报的方式还包含声波中CT的技术与HSP的水平声波的刨面法等，只是在实际施工过程中，这类方式运用比较少。其中HSP的水平声波超前地质的预报方式，主要是因为波传播过程按照费马与惠更斯菲涅尔的原理，因此这个方式主要原理是构建于弹性波的理论基础上。但是关于HSP的水平声波中剖面超前的地质预报法具有自身的局限性，在探测过程中前提条件就是周边地质、岩溶洞穴与填充物等存在声学特性的差异。

在预报过程中隧道掌子面以及边墙外会发射较低频声波的信号，并在隧道内部各个接点对反射波信号进行接收，再通过所探测反射波的信号实施频域与时域等方式分析，这样就能充分认识掌子面的前方岩体变化实际情况。而关于声波CT的超前地质实际预报方式，也就是声波CT中超前地质的预报方法基本原理和医学中CT检查技术原理基本一样，预报过程存在相应物理的前景，也就是物理性质差异介质，使得内部声波传播速度也存在差异，通过该预报的方式，能够通过不同介质之中声波传播速度来计算并分析物体内部物性的差异性，然后分析所收集的具体地质资料，进而满足通过三维图像直观显示掌子面的前方岩体内部地质体。

3.3关于TSP的隧道中地震波超前地质的预报方法

关于TSP的隧道中地震波超前地质的预报方法，是国内20世纪90年代从瑞士的按伯格测量技术企业引进了先进地质超前的预报探测分析方式，是我国当下普遍应用的技术。而TSP与其他反射的地震波方式基本一样，均是通过回声测量的原理来进行探测，其中地震波在具体震源点用少量炸药来激发形成，而岩层中出现的地震波通过面波形式向前的传播，一旦地震波与岩石物性的界面相遇时，部分地震的信号就会被反射回来，部分的地震信号则可以投射到前方的介质中，反射地震信号会被高敏度三维地震的检波器来接收。