對超前地質預報方法的認識

文/新疆交通規劃勘察設計研究院 張永達

隨著我國經濟的快速發展，基礎建設尤其是隧道建設發展得更加迅猛，遇到的地質問題也越來越多、越來越復雜。大量的施工實踐證明，在隧道施工中對掌子面前方圍巖進行超前地質預報是非常有必要的，不僅可以把地質災害的影響最小化，還可以提前采取措施遏制不良地質引發的災難事故，這對施工進度以及施工過程中的成本控制都有重要意義。

背景

進行隧道建設之前需要進行隧道工程設計，而設計的基本依據就是地質勘察資料。在我國現有的已經運營的隧道工程中，顯現的各種問題包括：勘察地質的儀器不統一，準確性無法保證；人員素質、技術能力參差不齊；甚至在工作態度上都有待提高。種種原因造成隧道設計的地質依據不過關，無法滿足工程實際需要，帶來一系列無法預測的地質問題，讓施工人員措手不及，且沒有相應的施工處置預案，大量的工程實例及工程經驗均顯示了這一問題。由于地質資料勘察不到位導致各種施工災難頻發，造成的結果是工期延長、費用增加、施工建設人員的安全受到威脅。為了保證施工期間的人員安全以及工程質量，降低不必要的損失，需要采用能有效滿足工程需要的各種探測手段，對隧道開挖前方的掌子面圍巖情況進行預測，并依次進行必要的調整或加固措施，保證工程建設的質量和安全。縱使無法完全避免事故發生，但也要盡可能降低事故發生的可能性，或者給施工人員一個提示，以便進行安全保護。

超前地質預報的意義及發展情況

超前地質預報的意義

隨著我國綜合國力的提高，經濟水平的躍遷，每年都會有近萬億的資金投入到基礎建設中，公路、鐵路、機場、水利等公共基礎設施不斷完善，路網密度不斷加大，路線等級不斷提高，并且不斷向西部山川丘陵地區進軍，高速公路里程一年比一年多。由于線形要求很高，為了達到指標要求，不得不增大橋隧比，隧道的數量和里程也不斷增大。為了避免對沿途的環境造成重大破壞，修建隧道就成了一個適應時代發展、滿足環境需求的手段。

在地下或山體中開挖隧道時，掌子面前方的巖體情況肉眼是無法辨別的，如果在隧道的開挖前方出現斷層破碎帶、淤泥帶、溶洞等災害性的地質狀況，而施工中又不可知時，很容易造成隧道坍塌、涌水、突泥等狀況的發生，給施工人員造成致命的威脅。在高山峽谷、大埋深等地質條件復雜地區，這種情況會變得更加嚴重和頻繁。這類地質情況對施工人員、機械及施工進度和費用都將產生重大影響，應該盡量降低或者消除這種情況。要做到這一點就要對隧道所在的巖體有一個充分的了解，并根據掌握的情況對隧道施工過程中可能發生的情況進行相應的預加固措施，從而保證施工能夠安全有效地快速進行，防止發生不必要的險情。巖體情況復雜多變，并且肉眼不可見，為此應采用各種行之有效的措施對巖體進行勘察，但是單單依靠現在的工程勘探是無法滿足施工精度要求的，而為了滿足施工精度要求，隧道的超前地質預報就成了必不可少的環節，并且作用重大，必須高度重視。

超前地質預報的研究現狀及其發展

在隧道施工建設期間進行超前地質預報的運用時間比較早，歷經了地質法、超前平行導坑法、超前水平鉆孔取樣分析、波反射法四個階段。例如地質法的使用主要就是通過分析預判施工時掌子面的地質條件，并由此推斷施工掌子面前方可能存在的斷層、巖體分界面、圍巖穩定性及可能失穩的類型。

常用的隧道超前地質預報方法

地震波探測法

地震波地質探測預報法屬于地球物理手段探測方法中的一種，采用了回聲測量原理：通過在隧道兩側墻壁的鉆孔內放入少量炸藥，起爆產生地震波。地震波沿巖體不斷向前傳播，并且是以面波的形式存在，當地震波在傳播過程中遇到巖體裂隙、斷層、不同巖體性質的界面時，會有一部分在界面處反射過來，剩余的部分會透過接觸的界面繼續向前方傳遞，反射回來的信號會被預先安裝在墻壁兩側的檢波器接收到。然后借助相應的分析軟件對接收到的信號進行分析，依據相應的特征情況判斷巖體前方是否存在如斷層裂隙帶、溶洞等不良地質的相對位置、大小規模、產狀等情況。

地質雷達預報法

利用地質雷達進行地質超前預報，就是通過儀器發射的高頻電磁脈沖波在巖體等介質中傳播時，遇到不同性狀的介質層面會有反射信號，反射回來的高頻寬帶短脈沖波會被相應的接收天線接收，從而達到地質預報的效果。例如巖體之間存在水、裂隙、溶洞等介質層面時，會造成巖體兩側界面的介電常數有很大差異，而這種差異易于區分，從而可以據此推斷出隧道前方的巖體地質情況，以達到超前地質預報所需要的結果，為后續施工提供有實際意義的指導。

超前鉆探法

該方法是預報不良地質最直接有效的手段。利用鉆孔機器在施工掌子面前方按照一定的布置形式打孔，通過鉆孔并分為取芯和不取芯兩種鉆探法進行地質預報。不取芯鉆探操作簡單，花費的時間較短，由于無需進行取芯分析，所以對鉆孔的要求不太高，通過鉆探時的鉆孔速度和出水量的大小規模，來依次推斷出不良地質體的相應特征。然而該方法有一定的限制，雖然在斷層水的地質可以取得良好的鉆探效果，但在巖溶隧道中僅依靠鉆孔速度和相應的出水量，很難將暗河、巖溶、淤泥等情況區分出來，需要進行必要的取芯分析。

結語

目前對于隧道施工期間的超前地質預報，不僅僅是對于某一種超前地質預報方法的簡單運用，通過對地質雷達、TSP、紅外線探測器的優缺點，及暫時無法克服的問題可知，在工程實際運用中，一種方法的使用是無法讓工程人員完全掌握地質情況的。地質雷達易受地下管線、巖面的影響，達不到工程的要求。地震反射類的如TSP得到的數據結果多樣性受到很多因素干擾，不易消除。同時對于原始數據的取得過程，由于以非地質專業的人員為主，有一定的局限性。現在都是在實際工程中通過多種方法的聯合使用、長短結合、優勢互補，形成總的超前地質預報體系，以減少測量過程中的不確定性和錯誤，提高預報的準確性。

在以后的實際工程中要更加整體性和系統性地運用地質預報方法，重視地質預報的整體性和系統性，這已經是實際工程中不可缺少的必要環節。在實際運用中要加強各種方法間的配合，給地質勘查預報留有足夠時間，對地質預報中的異常情況要提高風險意識。若以后研發出一些地質預報結果處理的集成軟件，將會大大提高預報的便利性，對施工有更好的指導作用。