綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用微探

文/韓金永 中鐵津橋工程檢測(cè)有限公司 吉林長(zhǎng)春 130033

1、工程簡(jiǎn)述

以靖那二標(biāo)段隧道出口為例，隧道出口右洞施工掌子面里程為K56+991，隧道穿越山體埡口，地表有落水洞分部，拱頂距地表埋深約40m。隧道內(nèi)與落水洞對(duì)應(yīng)的部位極可能發(fā)育巖溶，為此采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。近年來(lái)，在我國(guó)某些區(qū)域隧道施工過(guò)程中存在一系列的安全隱患，誘發(fā)人員傷亡，主要是由于作業(yè)人員對(duì)隧道圍巖特征的認(rèn)識(shí)不夠全面導(dǎo)致的，在進(jìn)行隧道開(kāi)挖過(guò)程中，必須要做好各類(lèi)災(zāi)害類(lèi)型的分析和預(yù)報(bào)，使用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，才能保證施工順利進(jìn)行。目前，隨著我國(guó)科學(xué)信息技術(shù)不斷發(fā)展，多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在國(guó)內(nèi)隧道時(shí)光中被廣泛使用，常見(jiàn)的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)主要有隧道地震預(yù)報(bào)、也就是TSP法、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)等。在實(shí)際施工勘探過(guò)程中，以上地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)能滿(mǎn)足勘探準(zhǔn)確性、高效。即使是在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中也能廣泛使用，不會(huì)影響勘探結(jié)果 [1]。

2、TSP系統(tǒng)及地質(zhì)雷達(dá)的理論概述

2.1 TSP系統(tǒng)的基本原理

2.1.1 TSP系統(tǒng)

TSP是多分量，高分辨率地震反射法對(duì)反射的地震信號(hào)進(jìn)行接收，然后通過(guò)數(shù)字記錄儀放大做好記錄輸出工作，通過(guò)TSPwin 軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理。在進(jìn)行地震波傳輸過(guò)程中，和正常巖體介質(zhì)相比，它受到密度和傳播彈性波的影響。也就是說(shuō)，巖體中兩側(cè)介質(zhì)波阻抗差異越大，反射地震波的能力也就越強(qiáng)。

優(yōu)點(diǎn)：探測(cè)預(yù)報(bào)的距離較遠(yuǎn)，一般為100 米至200 米之間，它的分辨率較高。除此之外，具有較高的抗干擾性，在進(jìn)行隧道施工過(guò)程中影響小。

缺點(diǎn)：在該技術(shù)使用過(guò)程中需要進(jìn)行配合，鉆孔使用工序較為復(fù)雜，一般是用放炮方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行激進(jìn)。然而，在進(jìn)行溶洞大小、填充類(lèi)型、斷層位置等各方面探究過(guò)程中，它的反應(yīng)效果不高，精確度較低。

2.1.2 波的類(lèi)型及傳播

一般情況下，地震波主要有兩種形式，一是體波，二是面波。體波主要是在整個(gè)介質(zhì)體積內(nèi)進(jìn)行有效傳播，而面波能順著介質(zhì)的表面或者是自由面進(jìn)行傳播。除此之外，體波分為縱波和橫波。縱波主要是彈性介質(zhì)在發(fā)生形變過(guò)程中形成的波動(dòng)，主要處于壓縮狀態(tài)。一般情況下，介點(diǎn)處于膨脹的位置，如果發(fā)生相互排斥，就會(huì)形成稀疏帶，或者是膨脹帶。對(duì)于橫波來(lái)說(shuō)，它主要是在切應(yīng)變狀態(tài)下彈性介質(zhì)而形成的波動(dòng)，最為顯著的特點(diǎn)是波傳播的方向和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，兩者的方向是互相垂直的。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)的基本理論

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)也是GPR 技術(shù)，它主要是使用連續(xù)掃描電磁波疊加反射曲線(xiàn)。使用陰道掌子面前方的巖體，電磁波反射和傳播原理進(jìn)行工作的，與此同時(shí)，還需要對(duì)反射脈沖雙城進(jìn)行傳播，計(jì)算準(zhǔn)確距離。一般情況下，它主要是在地質(zhì)雷達(dá)15 到30 米內(nèi)進(jìn)行探測(cè)。對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)來(lái)說(shuō)，它屬于超前預(yù)質(zhì)地質(zhì)是一種短距離的預(yù)報(bào)。然而它的分辨率很高，具有較高的準(zhǔn)確性，有利于進(jìn)行精度較高的預(yù)報(bào)。值得注意的是，在進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)地質(zhì)工作中使用地質(zhì)雷達(dá)要做好相應(yīng)的參數(shù)試驗(yàn)，一般情況下，不同巖體電磁波的速度和介電系數(shù)如下，表1。

表1 一般介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)及波速

優(yōu)點(diǎn)：在施工過(guò)程中干擾小，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中使用的時(shí)間短，一般為10 分鐘到30 分鐘，尤其是在掌子面發(fā)生炎性變化過(guò)程中，具有較高的識(shí)別能力，預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度較高。

缺點(diǎn)：該技術(shù)使用過(guò)程中，它的預(yù)報(bào)探測(cè)距離短，在20 米到30 米左右，需要對(duì)長(zhǎng)隧道進(jìn)行分段預(yù)報(bào)，容易受到信號(hào)干擾。

3、TSP系統(tǒng)與地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工中的應(yīng)用

3.1 TSP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

在使用TSP數(shù)據(jù)方法過(guò)程中，需要按照以下的步驟進(jìn)行操作，1.需要進(jìn)行鉆孔。通常情況下，需要在隧道內(nèi)壁設(shè)置24 個(gè)激發(fā)孔。如果再進(jìn)行設(shè)置過(guò)程中，需要對(duì)結(jié)構(gòu)面或者是異常體進(jìn)行探測(cè)，需要在長(zhǎng)子面左方位置進(jìn)行出露。2.需要進(jìn)行安裝檢波器。檢波器主要由兩條數(shù)據(jù)干探頭和鋼制套管組成，它能有效地對(duì)接收孔進(jìn)行清理。3.需要進(jìn)行炸藥埋設(shè)工作，在進(jìn)行埋設(shè)過(guò)程中，需要對(duì)個(gè)孔洞內(nèi)的炸藥量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和記錄。做好固定處理，將炸藥和雷管所用的炮管放在炮孔到底部，然后進(jìn)行錨固劑固定。4.做好數(shù)據(jù)采集工作。在進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，激發(fā)炸藥到接收地震波信號(hào)之間的時(shí)間間隔較短，為了降低數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)周?chē)h(huán)境造成的誤差，在炸藥埋設(shè)完成以后，需要對(duì)隧道內(nèi)的一切工作進(jìn)行停止，降低環(huán)境產(chǎn)生的干擾，完成記錄以后，需要一次引爆23 個(gè)炸藥，直到所有的炸藥都被引爆。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集

一般情況下，在進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，需要對(duì)主機(jī)、天線(xiàn)、傳輸光線(xiàn)、操控裝置四個(gè)部分進(jìn)行全面控制，做好實(shí)地勘察工作，需要借助電纜進(jìn)行發(fā)電天線(xiàn)的輸送，形成高頻的電磁波。然后將短脈沖在介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行投射，可能在傳遞過(guò)程中一些電磁波會(huì)被折射。這時(shí)，可以使用整形放大等技術(shù)檢測(cè)需要的反射信號(hào)。

結(jié)語(yǔ)：

在進(jìn)行地質(zhì)隧道工程建設(shè)過(guò)程中，由于當(dāng)?shù)厥┕きh(huán)境、地質(zhì)條件等各個(gè)因素的影響，會(huì)在施工建設(shè)過(guò)程中存在一定的偏差。進(jìn)而，誘發(fā)滲水、滲泥等現(xiàn)象，給整個(gè)工程埋下安全隱患。因此，在進(jìn)行工程施工作業(yè)過(guò)程中，必須要對(duì)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行全面分析，才能在最大范圍內(nèi)保證施工安全、順利進(jìn)行。