綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在大型復(fù)雜地下工程中的應(yīng)用

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在大型復(fù)雜地下工程中的應(yīng)用

雷春英，尚億軍

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)

摘要：大型復(fù)雜地下工程建設(shè)過(guò)程中面臨危險(xiǎn)源多，涉及面廣，各因素層次復(fù)雜等情況，對(duì)工程的正常施工提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。通過(guò)研究大量成功預(yù)報(bào)的案例，完善典型不良地質(zhì)體的解譯標(biāo)志，優(yōu)化預(yù)報(bào)組合方案，構(gòu)建綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，可有效解決單一物探方法多解性的缺點(diǎn)，大大提高不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；TSP；GPR；大型復(fù)雜地下工程

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.

基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2011BAB05B03)和武漢市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013030409020108).

作者簡(jiǎn)介：雷春英(1986-)，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師.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

近年來(lái)，大型復(fù)雜地下工程如長(zhǎng)深埋型復(fù)雜隧道施工、大型地下礦山、城市復(fù)雜環(huán)境下隧道等的掘進(jìn)及開(kāi)采過(guò)程中，施工掌子面前方常常面臨非常復(fù)雜的不良地質(zhì)體，往往會(huì)誘發(fā)多種地質(zhì)災(zāi)害，而地質(zhì)災(zāi)害的不可選擇性、復(fù)雜性、特殊性和突發(fā)性，常常成為制約工程順利進(jìn)行的最主要因素[1-3]。因此，在大型復(fù)雜地下工程的施工過(guò)程中，更要充分地了解前方圍巖的地質(zhì)條件，快速做出反應(yīng)，從而有效指導(dǎo)施工的順利進(jìn)行，防止災(zāi)害的發(fā)生。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)大型復(fù)雜地下工程建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，然而，許多針對(duì)具體問(wèn)題的超前預(yù)報(bào)技術(shù)、如何提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性等，仍是國(guó)內(nèi)外工程地質(zhì)界備受關(guān)注的難題[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的研究和應(yīng)用十分重視，取得了一定的發(fā)展和成果。國(guó)內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的研究，預(yù)報(bào)手段也由傳統(tǒng)的地質(zhì)分析法發(fā)展到目前的地質(zhì)分析與地球物理探測(cè)、超前鉆探法相結(jié)合的綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)，近年來(lái)，綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)已在隧道、礦上等工程中取得了成功的運(yùn)用[5-8]。從當(dāng)前各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用情況可知，每種方法都不可避免地存在局限性，且預(yù)報(bào)的測(cè)試結(jié)果具有多解性，特別是大型復(fù)雜地下工程的施工，更需要建立起一套綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，通過(guò)多種手段綜合運(yùn)用，多種方法相互印證、補(bǔ)充，才能取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度[9]。

1常用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)比較

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法一般可分為四類，包括地質(zhì)分析法、物理探測(cè)法、超前鉆探法和超前導(dǎo)洞法，而常用的方法為前三類[10]。每一類超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法包括不同的預(yù)報(bào)技術(shù)，我國(guó)最常用的預(yù)報(bào)技術(shù)有地質(zhì)素描、TSP地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)(GPR)探測(cè)、超前水平鉆孔等。

地質(zhì)素描是地質(zhì)分析法中最常用的方法，也是綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)最基本的方法，為其他預(yù)報(bào)方法提供最基礎(chǔ)的地質(zhì)指導(dǎo)資料，適用于各種地質(zhì)條件的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。TSP和GPR探測(cè)法是物理探測(cè)法中使用頻率較高的預(yù)報(bào)方法，TSP探測(cè)法對(duì)規(guī)模較大的不良地質(zhì)體探測(cè)效果較好，適用于長(zhǎng)距離探測(cè)斷層、破碎帶、巖層分界面等；GPR是物探方法中分辨率最高的探測(cè)方法，對(duì)含水體反應(yīng)敏感，適用于短距離探測(cè)裂隙水、空洞[11]；高分辨電法和紅外探測(cè)法是含水體探測(cè)、地下水賦存量探測(cè)常用的預(yù)報(bào)方法，高分辨電法常用于預(yù)報(bào)掌子面前方含水量、導(dǎo)水構(gòu)造分布和發(fā)育情況；紅外探測(cè)法可預(yù)報(bào)掘進(jìn)前方30 m范圍內(nèi)有無(wú)含水?dāng)鄬雍腿芏础３八姐@孔法是超前鉆探法中最為常用的一種，是預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體最直接、最有效的手段，常用于斷層、破碎帶、含水層、重大物探異常段等的輔助驗(yàn)證[12]。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用方法比較如表1所示。

表1　超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用方法比較

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)過(guò)程中，每一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的物理基礎(chǔ)不同，對(duì)不同地質(zhì)的預(yù)測(cè)效果不盡相同，體現(xiàn)的每種預(yù)報(bào)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。由于采用單一的預(yù)報(bào)方法存在多解性和局限性，而綜合過(guò)多的方法導(dǎo)致成本過(guò)高，要解決這一矛盾，就要根據(jù)不同預(yù)報(bào)方法的特點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)的地址分析法，優(yōu)化方案組合，形成最優(yōu)的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，達(dá)到既安全、經(jīng)濟(jì)、高效的目標(biāo)。

2綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系在復(fù)雜地下工程中的應(yīng)用思路

大型復(fù)雜地下工程的地質(zhì)預(yù)報(bào)遵循多方法、多頻次相互印證的原則，采用長(zhǎng)短結(jié)合、上下對(duì)照、定性與定量相結(jié)合的方法建立綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系。將探測(cè)區(qū)域按照地質(zhì)復(fù)雜程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，地質(zhì)復(fù)雜程度等級(jí)可分為復(fù)雜、較復(fù)雜、中等復(fù)雜、簡(jiǎn)單 4 級(jí)[13]。大型復(fù)雜地下工程的施工應(yīng)建立綜合、完善的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案，在地質(zhì)調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，掌握探測(cè)區(qū)域總體情況，從宏觀上把握探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)復(fù)雜程度，辨識(shí)高風(fēng)險(xiǎn)段落；再進(jìn)行長(zhǎng)距離的常規(guī)預(yù)報(bào)，對(duì)復(fù)雜、較復(fù)雜等級(jí)的預(yù)報(bào)區(qū)段，應(yīng)選擇短距離的物探組合方法，做加強(qiáng)預(yù)報(bào)或重點(diǎn)預(yù)報(bào)，技術(shù)路線如圖1所示。

由于不同的地下工程的差異性，綜合超前預(yù)報(bào)的關(guān)注重點(diǎn)會(huì)不同，例如，長(zhǎng)深埋型復(fù)雜隧道具有長(zhǎng)直的特點(diǎn)，施工超前探測(cè)首先關(guān)注圍巖的穩(wěn)定性，首先選用長(zhǎng)距離探測(cè)技術(shù)；而大型地下礦山巷道彎道多，更適用短距離探測(cè)方法，側(cè)重選擇對(duì)水體精度高的探測(cè)技術(shù)。但不論是哪一種類型的大型復(fù)雜地下工程，建立綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案的總體思路不變，根據(jù)圖1的技術(shù)路線圖，可建立三階段的綜合超前預(yù)報(bào)方案。

1)宏觀預(yù)報(bào)。常規(guī)地質(zhì)預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查了解地層巖性、對(duì)施工影響較大的地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)及地下水特征，再通過(guò)地質(zhì)素描將勘察和地質(zhì)調(diào)查得到的地質(zhì)信息投影到施工段，達(dá)到細(xì)化和補(bǔ)充的作用。

2)長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。通過(guò)TSP探測(cè)方法進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)，取得掌子面前方不良地質(zhì)體的類型、位置等信息，結(jié)合常規(guī)地質(zhì)預(yù)報(bào)獲得的信息，進(jìn)一步分析掌子面前方可能存在的地質(zhì)問(wèn)題。由于TSP存在多解性，只能推斷異常區(qū)段可能存在的地質(zhì)問(wèn)題，因此，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段需要在進(jìn)行短距離二次預(yù)報(bào)或驗(yàn)證預(yù)報(bào)。

3)短距離預(yù)報(bào)。根據(jù)前期預(yù)報(bào)的不良地質(zhì)體情況，結(jié)合各種探測(cè)技術(shù)對(duì)不同地質(zhì)體的識(shí)別特性，選用GPR、紅外探測(cè)法或高分辨電法進(jìn)行中短距離探測(cè)，得到掌子面 30～80 m范圍內(nèi)圍巖不良地質(zhì)體更為具體的信息，如三維定位數(shù)據(jù)、含水量等信息。若探測(cè)區(qū)段幾次預(yù)報(bào)結(jié)果不一致或者不良地質(zhì)體風(fēng)險(xiǎn)較高時(shí)，需要再通過(guò)超前水平鉆探進(jìn)行驗(yàn)證預(yù)報(bào)。

3應(yīng)用實(shí)例總結(jié)

通過(guò)研究眾多成功預(yù)報(bào)的案例得知，TSP和GPR是兩種最常用的預(yù)報(bào)方法，TSP探測(cè)在地質(zhì)條件十分復(fù)雜的長(zhǎng)深埋隧道方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，GPR在短距離探測(cè)、水體探測(cè)上具有較好的精度。在實(shí)際工作中，通過(guò)總結(jié)這兩種探測(cè)技術(shù)對(duì)不良地質(zhì)體的響應(yīng)特征，建立解譯標(biāo)志，是提高預(yù)報(bào)效果的有效途徑。

1)參考已有的簡(jiǎn)單的 TSP 解譯準(zhǔn)則，結(jié)合大量TSP預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)成果，總結(jié)TSP對(duì)常見(jiàn)不良地質(zhì)體的判識(shí)準(zhǔn)則，如表2所示。

表2　常見(jiàn)不良地質(zhì)體的TSP解譯標(biāo)志

2)參考地質(zhì)雷達(dá)剖面上識(shí)別各種波的四個(gè)標(biāo)志，即反射波振幅大小及相位正反、反射波波形特征、頻率特征和時(shí)差變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)大量GPR反射波的識(shí)別、對(duì)比，對(duì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)GPR對(duì)常見(jiàn)不良地質(zhì)體的判識(shí)準(zhǔn)則，如表3所示。

根據(jù)以上解譯原則和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合眾多大型地下工程綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工程經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在掘進(jìn)過(guò)程中，多采用 TSP進(jìn)行探測(cè)，到接近巖性變化較大的軟弱面或富水層時(shí)，針對(duì)性選用短距離探測(cè)技術(shù)，既能準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)掌子面前方的地質(zhì)情況，又能減少探測(cè)時(shí)間，加快施工速度。針對(duì)幾種常見(jiàn)不良地質(zhì)體，提出了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的優(yōu)化組合方案，如表4所示。

表3　常見(jiàn)不良地質(zhì)體的GPR解譯標(biāo)志

表4　常見(jiàn)的四種不良地質(zhì)體超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的優(yōu)化組合方法

4結(jié)論

應(yīng)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，準(zhǔn)確、精確掌握隧道及地下工程地質(zhì)信息，是提高工程建設(shè)質(zhì)量，保證施工、運(yùn)營(yíng)安全的堅(jiān)實(shí)保障。針對(duì)大型地下工程的綜合超前預(yù)報(bào)，研究眾多成功預(yù)報(bào)的案例，得出以下結(jié)論：

a.通過(guò)分析常用地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)不同地質(zhì)體的響應(yīng)特征，提出建立大型復(fù)雜地下工程綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系的思路，從宏觀預(yù)報(bào)，長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)到短距離預(yù)報(bào)，不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的探測(cè)區(qū)域形成不同的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案，可以有效解決單一預(yù)報(bào)方法具有多解性的缺點(diǎn)，預(yù)報(bào)結(jié)論更可靠。

b.研究總結(jié)眾多成功預(yù)報(bào)的案例，在已有的解譯準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，總結(jié)出不同地質(zhì)體的在TSP和GPR中的解譯標(biāo)志，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。

c.在地質(zhì)+物探+鉆探的經(jīng)典方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同地質(zhì)體特點(diǎn)，提出富水帶、破碎帶、斷層和溶洞四種不良地質(zhì)體的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)優(yōu)化組合方案，有效提高施工效率，降低成本。

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