超前地質預報技術在隧道不良地質方面的應用

黃小東，王 力

(四川仁沐高速公路有限責任公司，四川 成都 610047)

0 前 言

隨著經濟飛速發展，交通基礎設施建設正在快速推進，在山區公路方面，大量的隧道將會不斷地涌現。隧道施工過程常常會遇到不良地質，如涌突水、碳酸鹽溶洞、掌子面塌方、瓦斯等，嚴重威脅到作業人員的生命財產安全，也有可能造成水資源枯竭、地表塌陷等環保問題。近年以來，隧道超前地質預報作為隧道施工的重要組成部分被越來越多的人們認可，但是隧道超前地質預報所涉及知識內容極為廣泛，特別是地質知識和物探技術。隨著人們對施工安全方面越來越重視，超前地質預報技術將會在隧道施工中得到了廣泛運用。

1 隧道不良地質特征

據相關統計，從1988年以來我國鐵路隧道建設施工中大約有70%的隧道均受到不同程度水害的影響，其中有31座隧道涌水量已經超過1萬m3/d，造成工期延誤和財產損失。由此可見，隧道不良地質嚴重制約著隧道設計、施工，如何提前預測隧道施工過程中的不良地質成為隧道施工過程中急需解決的關鍵性問題。隧道不良地質主要包含有隧道中涌水、泥沙、瓦斯突出、瓦斯爆炸、碳酸鹽溶洞、構造斷層、破碎帶及因地應力引起的巖爆等地質災害，同時不良地質也會帶來次生生態環境破壞，如隧道洞內因圍巖變形失穩塌方、涌突水(泥)導致的地表塌陷以及地表水枯竭等。

2 隧道超前地質預報及研究近況

2.1 超前地質預報技術簡介

隧道施工超前地質預報技術一直備受關注，全世界各個國家都將這項技術作為重點研究對象。國內外對隧道超前地質預報的方法主要包括三大類，地質方法、物探方法以及鉆探方法。

1)地質方法：地質方法是最傳統的方法，主要是運用地表地質工作的資料以及隧道掌子面描述資料進行的分析，能掌握隧道通過斷巖層情況，粗略地預測地質巖性界線、圍巖等級、不良地質情況，如斷層、涌水段落、破碎帶范圍等。地面地質調查法在隧道超前地質預報中是最早使用的方法，它是通過地質調查與分析工程地面地質情況，進一步掌握隧道所在段落的地質特征，推測隧道掌子面前方的地質情況。地質調查內容主要包括巖性及產狀特征、構造斷裂與節理的發育特征、巖溶部位、形態特征等，推測隧道中的不良地質發育可能的類型、產出段落、規模等，便于在隧道施工中采取恰當的施工工藝和工程防護措施，避免造成人員安全及財產損失。地質方法比較適用于淺埋隧道、構造簡單的隧道，特別是沉積巖區域有很高的精度，但是在構造活動強烈區域和深埋較深的隧道，地質方法預測難度較大且極不準確。掌子面描述法：隧道施工單個循環中，對新揭露的掌子面地質素描，此過程非常詳細。掌子面素描主要包含有地層巖性、巖層產狀、巖石節理和裂隙發育情況、地下水發育情況、圍巖變形破碎及斷層發育情況等。地質素描能非常準確地反映掌子面圍巖工程地質情況，能指導隧道施工，具有工程實際意義。

2)物探類方法：隨著物探技術的飛速發展，物探方法非常多，主要包括瞬變電磁法、BEAM超前探測技術、探地雷達法、TSP地震反射波法等，在隧道工程施工過程中使用最廣泛的技術是瞬變電磁法和探地雷達法。瞬變電磁法：是一種時間域相關的電磁方法，主要運用具有階躍波形特征的電磁脈沖，不與地面相接的回線向地下發射電磁波一次場，電磁波一次場激發下使地下地質體內形成渦流，渦流的大小取決于地質體的導電性能強弱，導電能力強則感應渦流強，反之，地質體導電能力弱則感應渦流弱。電磁波的一次場消散后，而渦流不會立刻消散，它是一個逐漸衰減過程，衰減過程又會形成二次場，二次場逐漸衰減且向地下傳播。通過接收線圈在地表接收二次場，二次場特征間接反映地下地質體的導電能力。BEAM超前探測技術：(英文全稱Bore Tunnelling Electrical Ahead Monitoring，簡寫為Beam超前探測技術)它是通過對地層巖石電阻率進行測試的電法來推測巖石物性、溶洞和富水層的一種物探方法。由于電極化特征(與電容對比)，地層巖石的電阻系數的變化頻率能夠被完整記錄下來，富水層或者不良地質空洞、高孔隙率的地下地質體直接影響激發極化參數，譬如喀斯特溶洞等，所以Beam超前探測技術能夠準確地預測溶洞等不良地質在隧道中發育情況，相比早先的電法探測，Beam探測技術有效改善了傳統電法測試的靈敏度和可靠性，使用適合的隧道工作面來布設環繞電極，目的是形成保護電場，環繞電極形成的電流能向更深的部位傳播。Beam探測技術耗時較長，嚴重影響施工進度。TSP地震反射波法：(英文全稱Tunnel Seismic Prediction，簡寫TSP地震反射波法)屬于多波和多分量地震反射波探測技術，它的分辨率教高。TSP超前預報技術是運用地震波在不均勻地質體中反射波特性，通過反射波傳播速度快慢來推測隧道前方的地質情況?？梢蕴綔y隧道掌子面前方圍巖變化情況，如不規則的地質體、不整合面、構造斷層及破碎帶等。探測過程是在隧道掌子面一側布設炮眼，在掌子面兩側壁布設兩個檢波器孔，按順序激發各炮形成人工地震波，隧道掌子面前方不同巖性介質形成的反射波不同，這種不同形成的反射波被檢波器接收。運用相關地震波軟件處理能夠得到P波和S波的分布規律，通過數據提取最終得到隧道掌子面前方反射同相軸及其地質解譯成果圖。還可以通過相應波密度值算出區域內巖體物理力學參數，作為劃分圍巖級別依據。該方法有效預測100～200 m的圍巖情況，但是成本較高，所獲取的有效信息有限，對隧道中的富水區域的探測成功率較差。地質雷達法：(英文簡寫GPR法)它是一種利用高頻率(1MHz～1GHz)電磁波探測地下介質的電磁技術，具有高頻電磁波、寬頻帶短脈沖的特征，由隧道掌子面用發射天線向掌子面前方圍巖發射，當遇到異常介質的界面時發生反射，這種異常介質可能是巖性界面、斷層、不良地質等，返回的反射波被設置的接收天線記錄下來，在電腦上形成雷達剖面圖。電磁波在介質中傳播的電磁特性和幾何形態能反映出電磁波的傳播路徑、場強度及波形變化特征。由此可以根據接收天線獲取的電磁波特征可以確定隧道掌子面前方地質界面或不良地質特征及位置，但是該地質雷達法的缺點是受干擾因素非常多，經常因干擾因素造成假象而誤判。另外地質雷達法探測距離有限，通常情況在30 m內。

3)鉆探方法：隧道中鉆探通常都是水平鉆探，它是超前地質預報最直接的方法，通過水平鉆探對隧道掌子面前方地層巖性進行識別，還可以確定圍巖級別及厚度，探明碳酸鹽溶洞的特征，地下水在巖層中的賦存條件，在鉆孔中可以測定地下水的水量和水壓，還可以準確判定煤層厚度及檢測瓦斯濃度，對用地質方法和物探方法獲得的超前地質預報成果進行驗證，在地質構造復雜區域，通過地質、物探等手段綜合確定的不良地質段落，應施以水平鉆探法加以驗證。

2.2 超前地質預報研究現狀

近年以來，隨著物探技術的發展，隧道超前地質預報設備及技術取得了快速發展，國內外眾多專家學者都對隧道超前地質預報做了深入的研究，并且取得了顯著成果，為推廣隧道超前地質預報做了良好的鋪墊?，F在已經從單一的預報手段逐漸發展成地質和物探相結合的綜合預報分析技術，對保障隧道安全施工、減少人員傷亡起到了重要作用，且被大多數建設、設計、監理施工單位認可，隧道超前地質預報已經成為隧道施工中必不可少的工作內容。盡管隧道超前地質預報認可度逐漸增加，但是在預報精度、數據處理和解釋方面仍然面臨許多挑戰，主要表現如下。

1)本質上，隧道超前地質預報中的物探方法并非是對地面物探技術簡單的移植，物探對象所處的環境、探測對象、探測方式方法的差異將決定解釋方法。提高隧道超前地質預報解釋的準確性，其根源還是在于如何消除干擾和如何根據數據分析不良地質類型。

2)目前隧道超前地質預報仍還是停留在常用的預報方法層面，機械式組合混搭。隧道超前地質預報過程，就是將獲取已知的大量信息(包含物探資料和地質資料)對隧道掌子面前方未開挖的地質情況進行詳細預報，為隧道開挖施工提供資料，能夠有效減少盲目施工造成的安全事故。綜合解釋技術現在正處于發展初期階段，對獲取的多元化信息進行聯合解釋是未來隧道綜合超前地質預報的發展核心。

3)隧道超前地質預報過程極其復雜，涉及知識面廣，對隧道掌子面前面地質情況判斷時，就需要超前地質預報工作者綜合整理和分析大量的隧道地質基礎資料(如掌子面素描等)及現場各種的物探數據，這就要求數據解析工作者必須具有扎實的地質知識和物探解釋經驗。

3 隧道不良地質方面的應用

3.1 地質類方法

任何不良地質發育情況都是在大的地質背景下形成的，地質是隧道超前地質預報重要的基礎。雖然越來越多的先進物探設備廣泛投入到超前地質預報中，但是物探類方法常常具有多解性，必須要運用地質類方法的基礎資料才能使物探類方法進行隧道超前地質預報結果更加準確可靠。通常情況下，地質類方法進行隧道超前地質預報是能夠初步判斷可能出現的不良地質體類型、規模大小及大致位置，如推測斷層破碎帶、富水層常常在淺埋隧道中運用廣泛，準確程度較高。

3.2 物探類方法

在隧道施工過程中常用的物探類超前地質預報方法主要有兩種：瞬變電磁法和探地雷達法。

1)瞬變電磁法具有對較低阻體反應非常靈敏的特點，現在逐漸運用于探測隧道掌子面前方涌突水、斷層等不良地質情況。隧道探測周邊存在開挖臺車、初支鋼拱架等金屬對探測數據和解釋有較大影響，在實際中常常會導致誤判，這是制約瞬變電磁法運用的重要因素。也有部分專家學者已經研究出開挖臺車及初支鋼拱架等金屬對瞬變電磁法探測結果影響特征，通過建立電阻極限近似反演方法體系，可有效地消除開挖臺車及初支鋼拱架等金屬干擾。劉宗輝通過室內物理模擬實驗和現場物探實驗相結合的辦法，詳細研究了隧道中金屬體對瞬變電磁法探測結果的影響特征，并總結得到適用規律。隧道中金屬體影響瞬變電磁法的信噪比，探測線圈與金屬體距離越大，影響指數越小，因此，在運用瞬變電磁法進行超前地質預報時，應盡可能將開挖臺車挪開掌子面，同時探測線圈盡可能遠離初支鋼拱架。瞬變電磁法的分辨率能夠超過3 m，且對低阻含水構造分辨率較低。

2)探地雷達法通過接收到的電磁波波形、振幅強度和時間的變化特征推測掌子面前方的地質情況。地質雷達法得到的數據包含了大量的地質信息，特別是地層巖性、對象的物性等特征，可以通過地質雷達來識別巖溶、裂隙等不良地質情況。許多國內外專家學者將數學方法、邏輯運算等相結合，對不良地質體的幾個屬性進行模式識別，建立不良地質體的識別模型，通過模型對比能快速有效地預測巖溶隧道不良地質體。地質雷達法的分辨率非常高，能夠對隧道中不良地質進行詳細探測，且對水十分敏感，近年來在高速公路和鐵路隧道中應用廣泛。

3.3 水平鉆探方法

水平鉆孔是側重于超前地質預報已經基本確認的大型不良地質區段驗證，直接對掌子面前方圍巖進行鉆孔取樣，方法可靠，預報結果精確，不存在物探類方法的多解性和不確定性，但是其效率低、成本高、鉆孔作業耗費時間長、布孔具有偶然性等，在施工實際中運用少于物探類方法。水平鉆孔適用于巖溶發育區域、富水層、構造破碎帶等，能夠對這些不良地質情況精確判斷。在富水層還能通過鉆孔測量水量和水壓，在瓦斯區域能夠測量瓦斯溢出濃度進而計算絕對溢出量，能有效掌握隧道掌子面前方不良地質情況，用于指導施工。

4 討 論

隧道超前地質預報技術發展非常迅速，采用高新技術模擬下能夠有效地識別和比較精確地定位隧道中大規模不良地質體，如大型斷層、裂隙、溶洞和涌突水情況。僅僅運用某種超前地質方法很難精細化預測不良地質體，單一的方法分辨率低，通常情況下只能探測到不良地質體的界限，對其形態和結構很難精細化探測。隧道超前地質預報中的物探技術并非是對地面物探技術簡單的移植，不能將多種超前地質預報方法簡單地機械式組合混搭，這樣得到的預報結果無任何指導現場施工的意義。瞬變電磁法具有探測距離遠，但是探測精度較低；地質雷達法的分辨率非常高，探測距離短的特點。在現場超前地質預報中通常可以采用瞬變電磁法對隧道掌子面前方進行初略預測，如果發現有異常，再通過地質雷達法進行詳細探測，同時結合地質資料、理論分析、試驗模擬、現場測試、數字計算、計算機編程等輔助手段，能夠使做出的超前地質預報更加科學合理，隧道超前地質預報結果基本能與現場實際情況匹配，這樣的超前地質預報才能夠運用于指導現場施工。

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