隧道超前地質預報綜合分析方法研究

■姚志國

（廣東核力工程勘察院廣東廣州510800）

隧道超前地質預報綜合分析方法研究

■姚志國

（廣東核力工程勘察院廣東廣州510800）

隧道施工過程中，存在的風險因素比較多，為了保證施工的安全性，采用超前地質預報方法，分析即將施工的隧道的地質情況。以往的超前地質預報中，多采用單一的方法進行，但分析時由于方法存在一定的不足之處，從而導致分析結果存在一定的局限性，為了避免這一問題，本文在綜述地質超前預報目的及內容的基礎上，分析了常用方法的優缺點，并構建了地質超前預報綜合分析體系。

隧道地質超前預報綜合分析方法

0 前言

隨著隧道施工的發展，超前地質預報工作也取得了一定的進步，原有的單一預報方法逐漸的變為綜合性的預報方法，有效的避免了單一預報方法中存在缺點，提升了分析與預報的準確性，較為正確的了解即將施工段的地質情況，采取相應的施工措施，從而促使隧道施工順利的開展，并保證施工的安全性。

1 地質超前預報的目的及內容

1.1 地質超前預報的目的

隧道施工時，影響施工安全性的因素比較多，一旦發生安全事故，不僅影響施工人員的人身安全，同時也影響施工的進度。通過地質超前預報的開展，可了解地質情況，保障施工的順利開展。地質超前預報實施時，異常情況可以及時的發現，掌子面前方存在不良地質時，可以預報不良的位置，并預報地質的產狀、是否含水等，促使施工隊伍以此為依據，對施工方案進行相應的調整，避免突水、突氣、突泥的發生，保證施工的安全性。通過預報，在較短距離內，可分析掌子面前方的地質條件、圍巖類別等，指導施工選擇正確的施工方法，提升隧道施工的科學性，保證安全性。

1.2 地質超前預報的內容

地質超前預報中，預報的內容主要包含六項：第一，預報不良地質及災害地質，掌子面前方較短距離（15～100m）內，可準確的預報災害地質，如突水地質，并預報災害地質的覆蓋范圍、規模等，指導施工，對施工計劃進行合理的調整；第二，預報水文地質，隧道施工中會出現涌水，水量的大小、涌水的變化規律可有效的預報；第三，預報斷層及破碎帶，將斷層的位置、性質、充填物等預報出來，并預報充水性及穩定程度，提出施工意見；第四，預報圍巖類別，在隧道開挖面，前方會存在圍巖，可將其具體的類別及穩定性預報出來，對施工設計提出修改意見[1]；第五，預報有害氣體，隧道內部存在有害氣體，通過超前預報方法，將其含量、成分等預報出來，避免有害氣體造成安全事故；第六，預報膨脹巖，隧道內部膨脹巖的膨脹力過大時，會影響安全性，通過超前地質預測，對其膨脹力及膨脹量進行預測，及早的采取防治措施。

2 隧道超前地質預報常用的方法

2.1 地質調查法

在地質調查法中，地質理論及相應的作圖法是該方法的依據，在現有的隧道勘察資料、地質相關的調查資料等材料的基礎上，采取相應的對比和分析手段，比如地層層序對比、隧道內不良地質臨近前兆分析等，將開挖面前方的地質情況進行合理的推測，并進行相應的預報[2]。利用此種方法進行超前預報時，如果隧道的埋深并不深，而且地質構造比較簡單時，預報的準確性比較高，但部分隧道條件并非如此時，預報的準確性無法有效保證。

2.2 超前鉆探法

隧道施工中，在開挖面通過鉆機鉆探，將相應的地質信息獲取，此種方法即為超前鉆探法，無論隧道地質條件為何種，都可以利用此種方法進行超前預報，尤其是富水巖溶發育區、煤層瓦斯發育區等復雜地質條件中，預報具有良好的準確性。通過鉆孔的進行，可將鉆探部位的地層巖性等相關情況直觀的反映出來。不過，利用超前鉆探法進行地質預報時，需要比較高的成本費用，且需要的預報時間比較長，在一定程度上影響施工進度，且鉆孔所反映出來的相關信息僅能代表某一點，可能會存在漏報溶洞的可能。

2.3 超前導坑預報法

在超前導坑預報法中，地質情況的預報在超前導坑中反映，依據地質理論和作圖法，將正洞地質條件預報出來，此種超前預報方法包含兩種，一種是平行超前導坑法，一種是正洞超前導坑法，隧道施工中先開挖一部分，依據該部分的地質條件對即將開挖部分的地質條件進行預報[3]。無論地質情況具體為何種，此種方法都比較適用，預報未開挖隧道、煤層、斷層時，準確性比較高，但對于巖溶，可能會存在預報不準確的情況。

2.4 物探法

在探測對象與相鄰介質之間，物性差異存在，且規模足夠被探測時，可采用物探法。采用物探法預報地質條件時，如果被探測對象的地質復雜性比較高，而且存在比較多的干擾因素時，被探測對象的物性條件應該被充分的利用起來，實現綜合物探。物探法中比較常用的包含三種：

第一，可控源音頻大地電磁法。在此種方法中，地下巖石采用人工場源激發，電流通過時，電位差形成，不同供電頻率傳來時，通過接收，形成一次場電位，底層中，場的頻率不同時，具備不同的傳播深度，由此，深度與頻率之間形成一定的數學關系，巖石不同時，具備的電導率不同，電流通過時，形成不同的電位和磁場[4]。此種方法具有比較大的勘察深度范圍，且具備比較高的分辨力，良好的低阻敏感性，強大的抗干擾能力，靈活設計，但此方法使用時，存在靜態效應等缺點。該方法野外工作時，布置圖如圖1。

圖1 可控源音頻大地電磁法野外工作布置圖

第二，高密度電法。此種方法中，起到基礎性的作用為巖石的電性差異。實際上，此種方法為陣列勘探方法，運用的過程中，在測點上將電極放置即可，通轉換開關和電測儀，自動采集相關的數據，通過數據中的電性差異，分析地質情況。但此種方法在使用的過程中，地形、旁側對其使用效果影響比較大，探測范圍存在一定的限制性，多解性。

第三，彈性波反射法。在不均勻地質體中，地震波和聲波會形成相應的反射波，基于這一特性，該方法通過人工激發的方式，利用反射波對隧道開挖面前面的地質條件進行預報。地層界線的劃分、地質構造的查找、不良地質的探測中，比較適合采用彈性波反射法，利用彈性波反射法預報時，使用的時間比較短，成本少，比較少的影響隧道施工，但在實施過程中，采集條件產生的影響比較大，降低數據的準確性[5]。彈性波反射法的探測圖如圖2。

圖2 彈性波反射法探測圖

3 隧道超前地質預報綜合分析方法

3.1 綜合預報原則

隧道施工中，超前地質預報綜合分析體系構建時，應堅持五項原則，具體如下：第一，以地質分析為核心，地質調查中，主要的手段包含兩種，一種為地質地面調查，一種為掌子面地質調查，必要時，采用超前鉆孔，同時，超前預報中，核心性的內容為地質分析，在整個預報工作，要始終堅持這一核心；第二，綜合物探與地質分析相結合，利用綜合物探法進行超前地質預報工作時，還應該緊密的結合地質分析工作；第三，洞內外相結合，地質預報工作中，不僅要預報洞內地質，還應該預報洞外地質，在這二者中，主要為洞內預報，可采用綜合物探法、超前鉆探法等，輔助為洞外預報，可采用地面地質調查法[6]；第四，長短預報結合，預報時，以長距離為指導，精確預報短距離的地質情況，長距離預報時，可采用地質地面調查法，短距離預報時，可利用地質雷達法、掌子面素描法等；第五，物性參數互補，預報物性參數時，應綜合利用物探法中的多種方法，相互之間發揮補充配合的作用，提升預報的準確性。

3.2 綜合預報工作體系

在上述五項具體原則的指導下，構建出超前地質預報綜合分析工作體系，形成工作路線圖（如圖3）。以隧道施工前的勘察設計資料為基礎，對其進行詳細的研究，之后，通過地面地質調查方法，將斷層、不良地質的大致位置確定，并預測其與隧道軸線交點的位置，巖層、斷層的產狀進行科學的評估，估測地下水富存的區域[7]。這些工作完成之后，在宏觀層面上，形成預測地質分析結果，結合掌子面地質調查方法，并選擇適當的物探方法，保證物性參數互補原則的基礎上，對隧道的地質進行超前預測，并進行相應的預報，對掌子面前面的詳細地質消息進行較為全面的了解。最后，依據預報及預測的結果，確定具體的施工工序、方法等，提升施工的安全性。

圖3 綜合預報工作體系工作路線圖

3.3 綜合預報組織結構

在超前地質預報綜合分析體系中，組織結構的作用十分重要，施工現場中，組織結構的主體確定為施工單位，囊括眾多的相關專家，兩組人員平行的進行綜合預報及咨詢、分析。施工隊伍施工時，注意對超前地質預報資料進行相應的收集，而資料的來源為各種預報方法的預報結果，資料收集完成后之后，綜合性的分析隧道的地質條件，并整理成預報初稿，將該稿件交給專家組[8]。專家組中的專家就初稿進行綜合分析，形成意見，反饋給施工隊伍。施工隊伍收到之后，討論、分析專家組的意見，當結果出現分歧時，可以利用超前鉆探法，結合鉆探的結果，形成預報報告。依據預報報告，結合監理會等相關組織，經過分析、論述之后形成施工決議，應用決議來指導施工。通過組織結構的綜合性分析與探討，最終形成了科學性的施工建議，由此一來，施工的安全性得到良好的保證，施工的進度也可有效控制。

4 結論

隧道施工中，超前地質預報有著十分重要的作用，通過綜合預報工作體系的構建，避免了單一預報方法存在的不足之處，充分的發揮各種預報方法的優點，提升超前地質預報工作的準確性，從而充分發揮預報對施工方法的指導性作用，保證隧道施工的安全性，并保證隧道施工在工期內順利的完成，提升施工隊伍的經濟效益。

[1]李秀芳，周九紅.隧道超前地質預報方法在壩灣隧道施工中的綜合運用 [J].公路，2012，（05）：339-343.

[2]凌同華，張勝，李升冉.地質雷達隧道超前地質預報檢測信號的HHT分析法[J].巖石力學與工程學報，2012，（07）：1422-1428.

[3]吳存興.高速公路巖溶隧道綜合超前地質預報研究 [J].土木工程與管理學報，2012，（02）：87-92.

[4]薛翊國，李術才，蘇茂鑫等.隧道施工期超前地質預報實施方法研究 [J].巖土力學，2011，（08）：2416-2422.

[5]張志龍，王蘭生，王躍飛.公路隧道施工超前地質預報技術方法研究現狀綜述[J].公路交通科技，2015，（S2）：130-132+140.

[6]薛斌，韓小敏.宜萬鐵路巖溶隧道地質綜合超前預報技術 [J].鐵道標準設計，2010，（08）：72-77.

[7]曹泉水，劉立，沈勝強等.綜合超前地質預報技術在巴朗山隧道施工中的應用[J].西華大學學報（自然科學版），2014，（03）：95-99.

[8]孫柏林，張騫，張乾青等.充填型巖溶隧道綜合超前地質預報方案優選 [J].地下空間與工程學報，2014，（S1）：1728-1734.

P624[文獻碼]B

1000-405X（2016）-6-86-2

姚志國（），男，本科，工程師，研究方向為工程地質、水文地質、環境地質及工程勘察等。