隧道施工超前地質預報應用及其重要性

摘 要：文章探討了在復雜地質條件下隧道施工中各項超前地質預報方法的應用及優缺點，并綜合闡述了預報對確保隧道施工安全的重要作用。

關鍵詞：隧道施工；超前地質預報；安全

中圖分類號：U452.11 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）11-0134-02

目前國內隨著隧道工程的廣泛應用，建設過程中所遇到的地質條件也日益復雜。巖溶、過江、過海隧道等這些在過去被視為隧道建設禁區的領域相繼被打破。然而，在突破一個個隧道建設禁區的同時，塌方、泥石流、涌水突泥、巖爆冒頂、瓦斯爆炸等地質災害屢見不鮮。這些災害的出現，輕則會影響施工進度，導致施工工期延長，工程投資大幅增加，重則會造成人員重大傷亡，給國家和人民生命財產帶來巨大損失。因此，科學、合理的運用超前地質預報可以有效的預防各類突發性地質災害，降低災害發生機率，有效規避工程建設風險，避免人員傷害，為實現隧道工程質量、安全、工期、環境和投資控制等施工目標提供有力保障。

1 隧道施工中廣泛應用超前地質預報的重要性

由于受前期勘察精度及現有勘察技術手段還有勘察時間的影響，前期所得到的地質資料和隧道開挖后所揭露出來的地質情況相比可能存在很大差異，這就直接導致了施工過程中對掌子面前方地質條件了解不明，施工帶有很大盲目性，甚至有可能會出現無法預料的突發性地質災害。因此作為一個有效的監控手段，超前地質預報可以對施工過程中可能存在的各種地質災害進行預測，及時發現施工異?，F象，為變更安全設計參數，提出安全措施建議及時提供有效信息，為工程安全施工保駕護航。

2 超前地質預報常見方法簡述及其優缺分析

目前我國隧道施工中超前地質預報所采用的常見方法包括地質分析法與物探法。其中地質分析法是地質預報的基礎，物探法是利用物探的方式獲取地質信息，再經過地質分析解譯后進行地質預報。

2.1 地質分析法

地質分析法指的是利用地質基本理論及地質作圖法，根據隧道已有勘察資料、地表補充地質調查資料、洞內開挖揭示地質資料等，通過地層層序對比、地層分界線及構造線地下和地表相關性分析、斷層要素與隧道幾何參數的相關性分析等，推測開挖工作面前方可能揭示的地質情況，如地層巖性，地質構造、不良地質類型、規模等。

①地質作圖。地質作圖是指通過地表或超前導洞揭露的地層層面、巖性接觸面、構造面等結構面的產狀（走向、傾向、傾角），通過作圖法，推測其在地下、正洞出露的位置。

②地質素描。現場進行地質素描時，應對掌子面及掌子面附近開挖段進行詳細觀察。主要從巖性、巖體完整性、出水量、地層顏色、軟硬程度等方面進行比較分析，進而透徹的掌握地質情況。。

2.2 物探法

物探法包括彈性波法、電磁波法（GPR）、電法、紅外探測法等，彈性波法包括TSP、TST、TRT、HSP等。其中目前應用較為廣泛，大家公認效果比較好的有TSP法（彈性波法）、地質雷達法（電磁波法）、紅外探測法。

2.2.1 TSP法

①基本原理。TSP（tunnel seismic prediction）是隧道地震波法的簡稱。因地震波在不均勻地質體中會產生不同的反射波，TSP法通常利用小藥量爆破所產生的地震波信號進行傳播，在不同的巖層界面處被反射。然后用高精度的接收器接收反射波，通過計算機軟件對反射波的分析，可得出前方地質情況。TSP法屬多波多分量探測技術，可以檢測出掌子面前方巖性的變化，適用于對不連續面、軟弱夾層及破碎帶等的探測。

②數據采集。如圖1所示，數據采集時我們先在隧道的一邊沿直線布置24個風鉆孔，將小量炸藥安放，并在左右兩邊側壁鉆取2個檢波器孔。然后，依次激發各炮，地震波會以球面波形傳播，從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射的信號及直達波信號將被2個“三分量”檢波器接收。

③優缺分析。優點：探測距離長，可達100～150 m；施工干擾小，一般現場數據采集僅需2 h；探測精度高，對規則的不連續面，如軟硬巖分界面、斷層面等探測準確，是目前應用最廣，公認探測效果最好的一種探測方法。缺點：對巖溶等不規則體探測效果不佳。

2.2.2 地質雷達法（GPR）

①原理。地質雷達法（GPR）就是利用超高頻電磁波對地下介質的分布進行探測，它的基本工作原理是，通過發射機，從掌子面或在鉆孔內發射頻率為12.5～1 200 m、脈沖寬度為0.1 ns的脈沖電磁波訊號。訊號在遇到異常地質或介質分界面時，會形成特定的反射信號。而這些信號可以通過接收天線輸入到接收機并記錄，最終形成雷達剖面圖。

②數據采集如圖2所示。

③數據分析。我們可以通過對反射汛號的分析，判斷是否存在被測目標。因為，電磁波在傳播時，其路徑、波形和電磁波場強度會因其所通過介質的電磁特性和介質的幾何形態而發生變化。困此，根據接收到的電磁波旅行時間、波形、頻率和幅度等，通過雷達圖像的處理和分析，可確定掌子面前方界面或目標體的距離、空間位置和結構特征等信息。

④優缺分析。優點：與其他探測方法相比較，雷達法對巖溶、空洞等反應靈敏，探測精度高；探測速度快，每次探測僅需20～30 min，對施工干擾小。缺點：探測距離短，一般有效探測距離在10～15 m，需要頻繁的探測，探測工作量大。探測布置受洞內高壓風管、通風管、水管、供電線、運輸線（軌道和運行或停滯的電瓶車）即三管兩線的影響；探測效果受初期支護和二次襯砌中的鋼筋網、錨桿、小導管、鋼拱架及現場機具等金屬物的影響；掌子面凹凸不平等也影響探測的實施。

2.2.3 紅外探測法

①基本原理。物體的發射率與紅外線能量的大小成正比，所有物體都會發射、產生出肉眼不可見的紅外線能量。物體表面狀況和物體物質決定了發射率的大小。當隧道掌子面前存在水或隱伏含水構造時，正常場產生畸變，所產生的場強會與正常場上疊加，隧道掌子面周邊以及前方介質較為單一時，測得的紅外場則為正常場。由此可以看出掌子面前方一定范圍內含水構造的情況。

現場測試方法包括：第一，進行測試時，按照左邊墻、拱部、右邊墻的順序從掌子面向洞口行進，與此同時，繪制相應的紅外輻射曲線，每5 m測取一組數據，總共測取30m或者50 m，前方有無含水可根據曲線的趨勢進行判斷。第二，在掌子面上分出左、中、右以及上、中、下六條測線，然后交點測取數據九個，是否有水可按照該九個數據間存在的最大差值進行判斷；紅外輻射曲線上升或下降均可以判定有水；九個數據的最大差值大于10p～w/cm，也可判定出有水，而其他情況則可以判定無水。能夠實現對隧道全方位、全空間的探測，可預測到隧道外圍空間及掘進前方30m范圍是否存在含水構造或隱水構造，儀器操作簡單，另外，測試還可利用施工間歇期開展，不會占用施工時間，這些都是紅外探測的優點。但這種方法不能對具體的位置、水體寬度、水量大小進行確定，且沒有定量的解釋，僅能確定有無水。利用肉眼不可見的紅外線能量對隧道掌子面周邊以及前方有無水的情況作出判斷，有利于施工的安全進展。

②優缺點及適用范圍。優點：儀器小巧輕便，操作簡單，基本不占用隧道施工時間，資料分析簡潔、快速、直觀。 缺點：只限于定性，即只能預報有沒有水，而無法確定水量大?。粚χ車h境條件要求苛刻，而目前隧道施工環境很難滿足其要求，因而探測精度大打折扣。

3 結論及建議

3.1 結論

筆者在探討復雜地質條件下隧道施工中各項超前地質預報方法的應用及優缺分析的基礎上，綜合闡述了預報對確保隧道施工安全的重要作用。隧道超前地質預報是科學施工、安全施工的前提，同時對于提高項目施工效率、縮短項目周期、避免事故損失及節約投資等具有重大的經濟效益和社會效益。

3.2 建議

①由于受前期勘察手段的局限性，地質勘察資料的欠缺，同時受監測技術手段以及施工現場場地狹小等因素的制約，加上隧道地質、水文等條件復雜多變，前期勘察很難完全反映工程地質條件。因此在加強現場監測工作的同時，應該進一步加大安全生產投入，及時對掌子面前方及圍巖情況進行超前地質預報，并根據預報結果采取相應的安全支護（防護）措施，確保施工安全。

②超前地質預報不應作為一個施工前期的勘察手段，必須將其完全貫穿到整個施工過程中去。通過及時預報掌子面前方有可能出現的不良地質體的位置、產狀和圍巖結構的完整性及含水的可能性，可以為正確選擇開挖斷面和變更安全支護設計參數提供重要依據，為預防隧洞塌方、突泥、涌水、巖爆、突氣等可能形成的災害性事故及時提供預警信息，為項目施工人員和公司財產安全提供有力保障。

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