隧道掘進中超前地質勘探方法初探

譚光華

摘 要：掘進機在隧道施工中不能很好地適應各類地質條件，而且施工地質條件較差會嚴重影響隧道掘進機的正常運行，降低隧道掘進機的工作效率，嚴重時，甚至會損壞隧道掘進機，導致隧道掘進機長時間停機，直接影響了正常工程建設進度。由此可見，隧道掘進超前地質勘探對隧道掘進施工具有重要意義。從超前地質勘探技術的分類入手，詳細分析了隧道掘進過程中常用的超前地質勘探方法。

關鍵詞：隧道掘進；地質條件；地質勘探；預報系統

中圖分類號：U452.11 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.090

在隧道工程建設施工過程中，通常會面臨各種不同類型的地質條件，大大增加了隧道正常建設施工的難度。隧道掘進超前地質勘探技術能夠準確探測施工地段的地質情況，在隧道掘進正式施工前準確預報地質條件，為隧道建設施工提供科學、有效的數據支持，確保隧道掘進施工的正常工作進度，防止發生施工安全事故，有利于隧道建設工程的順利進行。

1 隧道掘進超前地質勘探預報技術主要分類

1.1 長期超前地質勘探預報

長期超前地質勘探預報技術主要采用斷層參數預測法、儀器探測法和地面地質調查法進行勘探預報，超前地質預報距離最遠能夠到達500 m左右。長期超前地質勘探預報技術主要針對的是不良地質環境的位置、性質、寬度和受影響隧道地段的距離。通過勘探不同種類的地質條件及其影響范圍，預報施工地段的圍巖類別、地下水狀態和工程建設施工受到的影響。長期超前地質預報技術主要是在隧道掘進前簡單確定施工前方大致的地質條件，有利于相關決策人員提前了解圍巖類別和地質條件變化，重點處理圍巖類別低的地段，在正常施工地段加速掘進，從而提高隧道掘進施工速度。長期超前地質勘探預報技術主要是在隧道中連續預報地質情況，預報精確度比較高。

1.2 短期超前地質勘探預報

短期超前地質勘探預報技術是根據長期超前地質勘探預報的結果進行深入預報工作，主要勘探方法包括地質雷達法和掌子面編錄預測法等，預測距離最遠可達30 m左右，能準確勘探施工前方30 m范圍內的圍巖等級和地質條件，全面預報掌子面周圍的不良地質分布情況、隧道的圍巖等級、地下水情況和對隧道掘進的具體影響，大致確定出施工地段可能發生的地質災害。短期超前地質勘探預報技術主要適用于不良地質條件分布比較廣泛、隧道結構復雜的施工地段。

1.3 其他分類

根據隧道探測原理，主要分為地球物理探測法，包括陸地聲吶法、紅外探水法、隧道地震超前預報方法、地質雷達法和水平聲波剖面法；鉆孔探測法，主要包括超前水平鉆機、超深風鉆孔和超前鉆機等；其他方法主要包括斷層參數預測技術、超前導坑法和掌子面地質編錄預測技術。

2 隧道掘進超前地質勘探預報技術

2.1 鉆孔探測法

2.1.1 超前鉆機

在隧道掘進施工過程中，通過隧道掘進機中的超前鉆機和超前地質探測儀，可以準確預報施工地段的超前地質情況，同時根據施工地段的巖石裸露情況、掘進參數的變化情況和掘進過程中出現的異常情況，綜合分析判斷超前地質情況，從而采取有效的處理措施，確保隧道掘進機的順利運行。超前鉆機的經濟成本比較高，施工時間較長，因此適用于短距離的超前地質預報工作。

2.1.2 超前水平鉆

超前水平鉆在隧道掘進超前地質勘探預報中的應用比較廣泛，能夠根據超前水平鉆的鉆頭壓力、巖心編錄、鉆速、涌水和漏水情況以及轉動力矩等多方面參數建立準確的超前地質綜合柱狀圖，能夠實現連續取芯，具有較快的鉆進速度；同時，可以通過雙重管鉆進、反循環沖洗鉆進和套管護壁方法解決超前水平鉆施工過程中出現的埋鉆、卡鉆等情況，能夠提高水分含量較多的施工地段超前勘探工作的準確性，避免隧道內發生泥石流災害。超前水平鉆操作工作量較少、預報距離長，而且工作條件比較好。

2.1.3 超深風鉆孔

超深風鉆孔是通過鉆孔臺車在鉆炮眼前鉆15 m長的孔，然后根據推力、旋轉力矩、返水量、濃度變化、鉆速、轉速、給水量、返水顏色等，配合切面圖、素描圖、剖面圖和掌子面觀察情況，準確預報施工前方的不良地質條件，可以利用最小施工進尺實現控制范圍的最大化。超深風鉆孔操作簡單、預報準確性高、施工時間少。

2.1.4 超前鉆孔取芯法

采用取芯鉆機鉆探取芯，通過全面分析巖芯情況判斷施工地段前方的不良地質條件。超前鉆孔取芯法耗費施工時間較長、經濟成本高，因此主要適用于地質條件較為復雜的地段，可以通過各種室內試驗，選擇出有效的支護方法、施工手段和防水處理措施。

2.2 地球物理探測法

2.2.1 地質預報系統

隧道掘進超前地質預報系統是根據反射地震波的處理和接收情況，在掌子面后方相應位置的鉆孔內進行微型爆破，發射出聲波信號，聲波信號按照球面的方式在巖體中傳播，當聲波信號在隧道中遇到界面時會反射，隧道兩側巖石等級差距較大，反射的聲波信號比較強，經傳感器接收信號，再轉換成電信號放大，最后通過模數轉換器進行轉換和存儲，并由專用軟件分析、處理信號，由此準確勘探預報施工前方的地質條件。

2.2.2 地質雷達法

地質雷達法是用發射天線將電磁波從掌子面發射到地質層中，經接口反射到掌子面中，通過另一側的天線接收信號，并分析、處理回波信號，從而準確預報施工前短距離的地質條件。該方法主要適用于巖體性隧道建設中，預報準確性較高，在隧道掌子面超前地質勘探預報工作中得到了廣泛應用。

2.2.3 陸地聲吶法

陸地聲吶法其實是通過垂直地震波反射原理進行預報，主要采用錘擊激發聲波，由高頻超寬帶接受反射波，采用極小的偏移距離超前預報隧道的地質情況，最遠距離可達80 m左右。

2.2.4 水平聲波剖面法

通過水平聲波剖面法進行探測不會占用隧道的掌子面，在隧道兩側的淺孔內設置發射源、信號接收器，形成水平聲波剖面。隧道內不同檢測點的反射波采用相同路徑，反射波的界面形態和組合形態相同，反射圖形簡單清晰。水平聲波剖面法對反射界面的傾斜角要求較低，適用范圍比較廣泛。

2.2.5 紅外探水法

隧道中巖體的紅外輻射場強度受地下水影響較大，利用紅外探水設備接收和分析隧道巖體的紅外輻射強度，根據巖體的紅外輻射場強度的變化情況勘探、預報隧道前方的不良地質條件。這種探測方法只適用于含有地下水地質條件的預報。

3 結束語

綜上所述，我國基礎設施建設規模不斷擴大，鐵路、隧道、公路、橋梁等建筑數量大大增加，在隧道掘進建設過程中，面臨著各種不同的地質條件，給隧道建設施工造成了嚴重的安全隱患。因此，做好隧道掘進超前地質勘探預報工作對隧道工程的建設具有重要意義，能夠有效防止安全事故的發生。在隧道掘進超前地質勘探預報工作中，應該綜合考慮不同檢測方法自身的特點和適用性，科學、合理地運用各種勘探預報技術，取長補短，提高超前地質勘探預報技術的專業水平，從而提高隧道施工超前地質預報的準確性，促進隧道工程的安全、高效建設。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕