综合超前地质预报技术在大型复杂地下工程中的应用

2016-01-14雷春英,尚亿军

建材世界 2015年4期

雷春英，尚亿军

(武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070)

摘要：大型复杂地下工程建设过程中面临危险源多，涉及面广，各因素层次复杂等情况，对工程的正常施工提出了严峻考验。通过研究大量成功预报的案例，完善典型不良地质体的解译标志，优化预报组合方案，构建综合超前地质预报体系，可有效解决单一物探方法多解性的缺点，大大提高不良地质体预报的准确度，达到安全、经济、高效的目标。

关键词：综合超前地质预报；TSP；GPR；大型复杂地下工程

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.019

Abstract:The multi-hazard，wide-covered，complex factors during the large complex underground construction process posed severe challenges to the construction project.A large number of successfully forecast cases were studied，and bad typical geological interpretation signs were perfect.Combination forecasting scheme was optimized.Comprehensive geological prediction system was constructed to effectively solve the disadvantage of multiple solutions of single geophysical methods，and greatly improve the accuracy of prediction of adverse geological.The target of safe，economical and efficient is achieved.

收稿日期：2015-06-13.

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划重点项目(2011BAB05B03)和武汉市科技计划项目(2013030409020108).

作者简介：雷春英(1986-)，硕士，助理实验师.E-mail:chunyinglei0402@163.com

Discussion on Comprehensive Advance Geology

Forecast Technology in the Large and Complex Underground Projects

LEIChun-ying，SHANGYi-jun

(School of Resource and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Key words:comprehensive geological forecast;TSP;GPR;large and complex underground projects

近年来，大型复杂地下工程如长深埋型复杂隧道施工、大型地下矿山、城市复杂环境下隧道等的掘进及开采过程中，施工掌子面前方常常面临非常复杂的不良地质体，往往会诱发多种地质灾害，而地质灾害的不可选择性、复杂性、特殊性和突发性，常常成为制约工程顺利进行的最主要因素[1-3]。因此，在大型复杂地下工程的施工过程中，更要充分地了解前方围岩的地质条件，快速做出反应，从而有效指导施工的顺利进行，防止灾害的发生。

超前地质预报技术大型复杂地下工程建设中发挥了重要作用，然而，许多针对具体问题的超前预报技术、如何提高预报的准确性和及时性等，仍是国内外工程地质界备受关注的难题[4]。国内外学者对超前地质预报技术的研究和应用十分重视，取得了一定的发展和成果。国内超前地质预报技术经过几十年的研究，预报手段也由传统的地质分析法发展到目前的地质分析与地球物理探测、超前钻探法相结合的综合超前预报技术，近年来，综合超前预报技术已在隧道、矿上等工程中取得了成功的运用[5-8]。从当前各种超前地质预报的应用情况可知，每种方法都不可避免地存在局限性，且预报的测试结果具有多解性，特别是大型复杂地下工程的施工，更需要建立起一套综合超前地质预报体系，通过多种手段综合运用，多种方法相互印证、补充，才能取长补短，提高预报的准确度[9]。

1常用超前地质预报技术比较

超前地质预报方法一般可分为四类，包括地质分析法、物理探测法、超前钻探法和超前导洞法，而常用的方法为前三类[10]。每一类超前地质预报方法包括不同的预报技术，我国最常用的预报技术有地质素描、TSP地震波反射法、地质雷达(GPR)探测、超前水平钻孔等。

地质素描是地质分析法中最常用的方法，也是综合地质预报最基本的方法，为其他预报方法提供最基础的地质指导资料，适用于各种地质条件的超前地质预报。TSP和GPR探测法是物理探测法中使用频率较高的预报方法，TSP探测法对规模较大的不良地质体探测效果较好，适用于长距离探测断层、破碎带、岩层分界面等；GPR是物探方法中分辨率最高的探测方法，对含水体反应敏感，适用于短距离探测裂隙水、空洞[11]；高分辨电法和红外探测法是含水体探测、地下水赋存量探测常用的预报方法，高分辨电法常用于预报掌子面前方含水量、导水构造分布和发育情况；红外探测法可预报掘进前方30 m范围内有无含水断层和溶洞。超前水平钻孔法是超前钻探法中最为常用的一种，是预报不良地质体最直接、最有效的手段，常用于断层、破碎带、含水层、重大物探异常段等的辅助验证[12]。超前地质预报常用方法比较如表1所示。

表1　超前地质预报常用方法比较

在超前地质预报过程中，每一种超前地质预报技术的物理基础不同，对不同地质的预测效果不尽相同，体现的每种预报方法的优缺点。由于采用单一的预报方法存在多解性和局限性，而综合过多的方法导致成本过高，要解决这一矛盾，就要根据不同预报方法的特点，结合常规的地址分析法，优化方案组合，形成最优的综合超前地质预报体系，达到既安全、经济、高效的目标。

2综合超前地质预报体系在复杂地下工程中的应用思路

大型复杂地下工程的地质预报遵循多方法、多频次相互印证的原则，采用长短结合、上下对照、定性与定量相结合的方法建立综合超前地质预报体系。将探测区域按照地质复杂程度分级标准进行分级，地质复杂程度等级可分为复杂、较复杂、中等复杂、简单 4 级[13]。大型复杂地下工程的施工应建立综合、完善的超前地质预报方案，在地质调查和分析的基础上，掌握探测区域总体情况，从宏观上把握探测区域的地质复杂程度，辨识高风险段落；再进行长距离的常规预报，对复杂、较复杂等级的预报区段，应选择短距离的物探组合方法，做加强预报或重点预报，技术路线如图1所示。

由于不同的地下工程的差异性，综合超前预报的关注重点会不同，例如，长深埋型复杂隧道具有长直的特点，施工超前探测首先关注围岩的稳定性，首先选用长距离探测技术；而大型地下矿山巷道弯道多，更适用短距离探测方法，侧重选择对水体精度高的探测技术。但不论是哪一种类型的大型复杂地下工程，建立综合超前地质预报方案的总体思路不变，根据图1的技术路线图，可建立三阶段的综合超前预报方案。

1)宏观预报。常规地质预报是基础，通过地质调查了解地层岩性、对施工影响较大的地质构造、不良地质及地下水特征，再通过地质素描将勘察和地质调查得到的地质信息投影到施工段，达到细化和补充的作用。

2)长距离预报。通过TSP探测方法进行长距离预报，取得掌子面前方不良地质体的类型、位置等信息，结合常规地质预报获得的信息，进一步分析掌子面前方可能存在的地质问题。由于TSP存在多解性，只能推断异常区段可能存在的地质问题，因此，对高风险区段需要在进行短距离二次预报或验证预报。

3)短距离预报。根据前期预报的不良地质体情况，结合各种探测技术对不同地质体的识别特性，选用GPR、红外探测法或高分辨电法进行中短距离探测，得到掌子面 30～80 m范围内围岩不良地质体更为具体的信息，如三维定位数据、含水量等信息。若探测区段几次预报结果不一致或者不良地质体风险较高时，需要再通过超前水平钻探进行验证预报。

3应用实例总结

通过研究众多成功预报的案例得知，TSP和GPR是两种最常用的预报方法，TSP探测在地质条件十分复杂的长深埋隧道方面具有明显的技术优势，GPR在短距离探测、水体探测上具有较好的精度。在实际工作中，通过总结这两种探测技术对不良地质体的响应特征，建立解译标志，是提高预报效果的有效途径。

1)参考已有的简单的 TSP 解译准则，结合大量TSP预报的经验成果，总结TSP对常见不良地质体的判识准则，如表2所示。

表2　常见不良地质体的TSP解译标志

2)参考地质雷达剖面上识别各种波的四个标志，即反射波振幅大小及相位正反、反射波波形特征、频率特征和时差变化规律，通过对大量GPR反射波的识别、对比，对预报数据的分析，总结GPR对常见不良地质体的判识准则，如表3所示。

根据以上解译原则和实际工作经验，结合众多大型地下工程综合超前地质预报的工程经验，发现在掘进过程中，多采用 TSP进行探测，到接近岩性变化较大的软弱面或富水层时，针对性选用短距离探测技术，既能准确地预报掌子面前方的地质情况，又能减少探测时间，加快施工速度。针对几种常见不良地质体，提出了综合超前地质预报的优化组合方案，如表4所示。