超前地質預報在長大隧道中的應用

祝興遠

【摘要】超前地質預報對隧道工程至關重要，因為隧道工程中發生的塌方、涌水等事故較為常見。本文結合工程實例論述了超前地質預報的目的，并論述了地質調查分析法、物探法、電磁波反射法、紅外探測法等探測方法。

【關鍵詞】地質；預報；隧道

隨著國內交通設施建設規模日益擴大，隧道建設也得到了迅猛發展，隧道與其他工程相比較具有隱蔽性、復雜性強，地質條件及周圍環境不確定性突出等特點，往往在隧道掘進過程中才能發現不良地質情況，因此常導致塌方、涌水、巖爆等各種地質災害，不僅會影響工程進度，增加工程造價，甚至會導致事故發生，因此對隧道巖溶的發育情況進行及時準確的預報是保證施工安全、減輕突水、突泥等災害的有效途徑，但由于巖溶的形成、發展和空間分布等受諸多因素影響和控制，導致巖溶的發育雖具有一定的規律性，但其在細觀上也有明顯地差異性，此即增大了超前預報的難度，因此如何采用單一或綜合的方法對巖溶進行超前探測并保證成果的準確性對隧道施工具有非常現實的重要意義。

一 、工程概況 大獨山隧道洞身斷層破碎帶發育，部分段落處于季節交替帶，洞內為人字坡。該隧道位于地處黔西高原向黔中丘陵過渡地帶，屬構造 剝蝕、溶蝕中低山地貌，根據工程地質及水文地質情況，本隧為巖溶隧道，可溶巖長度為9063m，占全隧長度的76%，隧道最大埋深約380m，洞身斷層破碎帶發育，發育區域斷層7處，物探解譯斷層11處，可溶巖與非可溶巖接觸帶6處，下穿暗河1處（位于隧道拱頂上約43m），地表村莊分布廣泛，巖溶漏斗發育，隧道通過可溶巖段，巖溶及巖溶水對隧道影響較大，遇到大型巖溶管道及溶洞可能性較大，可能發生突水、突泥現象，地表局部地段發生塌陷，在斷層破碎帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶多為地下水富集區，易發生突水、突泥、巖溶塌陷，隧道中段洞身埋深大，地應力相對較高，在高地應力下可能發生巖爆。因此本隧主要風險為塌方，突水突泥，巖爆，危巖落石等風險，為Ⅰ級風險隧道。

二 、 超前隧道超前地質預報的目的 隧道施工超前地質預報是施工安全的保障基礎，通過對超前地質預報信息的提取、分析與判斷，可針對性的結合地質災害、結構圍巖穩定、涌水、毒害氣體檢測等，并可進一步查清隧道開挖工作面前方的工程地質和水文條件，保證隧道施工安全，減少因隧道圍巖淺埋段發育不規律而造成大面積坍塌和地表塌陷帶來的損失；可預測隧道內存在的熔巖空腔、暗流等地質災害以降低災害發生的幾率和危害程度；可預測隧道掌子面前方巖性變化情況及圍巖類別；可預測隧道掌子面前方出現的斷層及破碎帶發育情況并可為優化工程設計提供地質依據；為編制竣工文件提供地質資料。

三 、 超前預報方法

3.1 地質調查分析法 地質調查法是通過區域地質資料分析、隧道軸線地表和洞內工程地質調查，了解隧道所出地段巖層地質年代、圍巖巖性、結構特征和地質構造等，用以預測隧道可能存在的不良地質現象的類型、部位、規模，該方法應具有可靠的地理論為基礎，并可做為其他預測方法的選取依據，該方法包括隧道地表補充地質調查和隧道內地質素描等。地表調查是熟悉和確認地層、巖性在隧道地表的出露及接觸關系，尤其是標志層的熟悉和確認；洞內地質素描則包括開挖工作面地質素描和洞身地質素描，主要內容包括地質巖性、地質構造、巖溶、特殊地層、人為坑道、地應力、有害氣體及放射性危害存在的情況以及地下水的分布、出露形態及圍巖的透水性、水量、水壓等以及地下水活動時對圍巖穩定的影響，并應記錄不同工程地質條件、水文地質條件下隧道圍巖穩定性、支護方式及初期支護后的變形情況等。

3.2 物探法 彈性波反射法。是利用人工激發的地震波、聲波在不均勻地質中產生的反射波特性，預報隧道開挖工作面前方的地質情況，該方法適用于劃分地層界限，查找地質構造、探測不良地質體的厚度和范圍。該工程采用TSP法，即隧道地震波法，是通過小藥量爆破所產生的地震波信號沿隧道方向以球面波的形式傳播，并在不同的巖層內地震波以不同的速度傳播，而在界面部位被反射后被高精度的接收器接 收，之后通過計算機軟件對前方圍巖性質、節理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況等進行分析，最終顯示出各種圍巖構造界面與隧道軸線相交所呈現的角度及距工作面的距離，工程中每次預報的距離采用100m，在完整的硬質巖地層每次預報距離采用150m。

3.3 電磁波反射法 其原理是利用人工場源激發地下巖石， 在電流流過時產生的電位差， 接收不同供電頻率形成的一次場電位， 由于不同頻率的場在地層中的傳播深度不同， 所反映深度也就與頻率構成一個數學關系，具體為采用地質雷達探測，利用電磁波在隧道開挖工作面前方巖體中的傳播和反射，根據傳播速度和反射脈沖波走時進行超前地質預報的一種物探方法，主要用于巖溶探測，亦可用于斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻體的探測，每25m一次，一次范圍為30m，兩次重疊長度應在5m以上。該方法勘測深度范圍大，分辨力較高，低阻敏感性好，地形影響小且抗干擾能力強。

3.4 紅外探測法 即根據一切物質都在向外輻射紅外電磁波并形成紅外輻射場，同時會將內部地質信息傳遞出來，地下水活動引起巖體紅外輻射場強度變化，干燥無水的地層和含水地層發生的紅外輻射強度不同，紅外探測儀通過接受和分析紅外輻射信號進行超前地質預報，主要用于定性判斷探測點前方有無水體存在及其方位、不能定量給出水量大小等參數，每25m一次，一次范圍為30m，兩次重疊長度應在5m以上。

3.5 超前鉆探法 工程中采用單孔水平取巖芯鉆探法，超前探測20-30m以驗證中近距離物探超前探測的異常地段，每25m一個循環，每孔長30m，鉆孔是否取巖心應根據地質條件決定，通過對注漿孔、注漿過程記錄資料及檢查孔取芯等情況進行分析以得出各孔不同深度處圍巖的完整性及巖溶的發育情況，一般通過卡鉆、跳鉆、鉆速驟增等情況來判斷裂隙的發育情況，溶蝕寬度主要由跳鉆或鉆速驟增的長度決定，通過返水量、返水夾雜物分析溶蝕的發育及充填情況，通過返水夾雜物的粒徑及磨圓情況分析溶蝕寬度、延伸情況及巖溶水的補給情況，通過注漿量、注漿壓力上升情況分析巖溶的發育情況，通過注漿質量檢查孔的取芯情況分析巖溶的發育位置、大小；通過對超前預測預報所得的資料進行綜合分析與評判，相互印證，并結合掌子面揭示的地質條件，發展規律，趨勢及前兆進行預測，判斷；根據超前地質預測預報結果，相應優化調整措施，工法及特殊處理措施，以確保施工安全及結構安全，確保工程順利實施。

四 、 結論

我國隧道工程逐漸發展壯大，物探水平逐步提高，如今各種物探方法應有盡有，但實際應用中單一的方法往往不能滿足工程需要，因此應避免盲目選用施工預報方法，而應將建立與工程實際相適應的綜合預報系統作為重點，力求在預報中做到準確、經濟、高效。只有這樣，我國的隧道工程才能更高效的發展。

參考文獻：

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