綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道探測(cè)中的應(yīng)用

王霆 孫久順

摘要：針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中精確度低、準(zhǔn)確性差的問(wèn)題，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對(duì)隧道進(jìn)行預(yù)報(bào)，分析了工作原理及實(shí)施流程，并在寨山隧道開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，考察了探測(cè)結(jié)果，探測(cè)分析結(jié)果與隧道開(kāi)挖揭露結(jié)果一致，說(shuō)明該技術(shù)正確推斷了掌子面前方的圍巖情況和不良地質(zhì)體的基本情況，達(dá)到了基本的預(yù)報(bào)效果，為類似地區(qū)的隧道施工的開(kāi)展提供了重要借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道施工;地質(zhì)預(yù)報(bào);綜合預(yù)報(bào)

引言

針對(duì)在我國(guó)巖溶地區(qū)修建隧道時(shí)遇到的某些地質(zhì)災(zāi)害，利用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，分析綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的組成、特點(diǎn)及工作方法;結(jié)合具體工程地質(zhì)特征，提出基于地質(zhì)識(shí)別、地質(zhì)雷達(dá)法等相結(jié)合的綜合探測(cè)技術(shù)，分析該技術(shù)手段對(duì)具體工程的實(shí)用性、先進(jìn)性及其發(fā)揮的重要作用。

1綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法是在多種預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)科學(xué)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代信息化的管理手段，將多種信息進(jìn)行整合的技術(shù)。通過(guò)對(duì)不同方法獲得的信息進(jìn)行綜合分析，在很大程度上消除了信息的不一致性，推導(dǎo)出對(duì)隧道前方施工不利的地質(zhì)條件。

進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)首先應(yīng)進(jìn)行定性分析，即對(duì)隧道宏觀地質(zhì)信息進(jìn)行分析，然后再通過(guò)綜合手段對(duì)數(shù)據(jù)等進(jìn)行定量分析。定性分析主要采用地質(zhì)地面調(diào)查法，指通過(guò)對(duì)開(kāi)挖隧道洞內(nèi)和洞外地表地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行觀察與測(cè)量，具體手段包括對(duì)開(kāi)挖工作面和洞身的地質(zhì)素描、地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查以及對(duì)各種地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行繪圖等。定量分析是在初步確定不良地質(zhì)體的類型和大致范圍后，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)獲得的各種數(shù)據(jù)，借助儀器與軟件分析變形情況，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)預(yù)測(cè)變形趨勢(shì)進(jìn)行分析。綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法應(yīng)遵循系統(tǒng)科學(xué)的理論及整體性原則，把隧道及其周圍地質(zhì)作為一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)中各要素之間的相互關(guān)系、相互作用，構(gòu)成統(tǒng)一的整體，不僅要對(duì)隧道洞體進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，還應(yīng)結(jié)合本地區(qū)已建工程的信息，了解可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害及發(fā)生災(zāi)害的主要類型、強(qiáng)度等;也應(yīng)遵循動(dòng)態(tài)性原則，其中1個(gè)要素發(fā)生改變，其他要素必然發(fā)生變化;如斷層未得到及時(shí)處理，由于地下水或溶洞的存在，可能發(fā)生涌水現(xiàn)象，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的災(zāi)害。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施程序如下。

（1）地質(zhì)分析法，首先對(duì)地質(zhì)資料進(jìn)行分析，以相關(guān)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查等方法判斷致災(zāi)構(gòu)造的大致位置、類型。同時(shí)，地質(zhì)資料的分析也為物探和鉆探提供信息基礎(chǔ)，指導(dǎo)施工人員選取合適的物探方法及鉆探方案。

（2）物探識(shí)別，即地球物理勘探方法，這一階段主要采用多種物探手段，探測(cè)掌子面前方10 ～100 m 的不良地質(zhì)體。對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行解譯，確定不良地質(zhì)體的類型、規(guī)模、方位以及段巖石的力學(xué)特性等數(shù)據(jù)。

（3）鉆探揭露，通過(guò)鉆探過(guò)程中鉆孔的速率快慢、難易程度、是否有異常現(xiàn)象以及取得的巖樣判斷隧道掌子面前方地層的實(shí)際情況，還可通過(guò)巖芯試驗(yàn)獲得巖石強(qiáng)度等定量指標(biāo)，最直接、有效地預(yù)報(bào)超前地質(zhì)。地質(zhì)雷達(dá)法是目前最主要的物理勘測(cè)方法，其實(shí)質(zhì)是利用不同介質(zhì)界面的電磁特性差異而反射產(chǎn)生的電磁波探查各種介質(zhì)從而進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)反演，找出不良的地質(zhì)體。一般用來(lái)探測(cè)掌子面前方10～30 m隧道周圍的地質(zhì)狀況。其優(yōu)點(diǎn)是耗時(shí)短、現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便，分辨率高，能反映圍巖內(nèi)部特征，尤其對(duì)含水帶、破碎帶有較好的識(shí)別效果。其主要工作方法是首先通過(guò)自身攜帶的寬帶天線向前方發(fā)射高頻的電磁波，遇到不同介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，信號(hào)返回后由主機(jī)接收，然后根據(jù)電磁波的物理特性如時(shí)間、振幅、波形等，確定不良地質(zhì)體的規(guī)模、性質(zhì)等參數(shù)。

2 TSP 地質(zhì)預(yù)報(bào)原理及設(shè)備系統(tǒng)組成

2.1 基本原理和方法

TSP方法屬于高分辨率地震反射的多波多分量方法，地震波發(fā)生在帶有少量炸藥的投影焦點(diǎn)（通常在隧道的左壁或右壁，大約 24 發(fā)）。 當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面（如斷層、斷裂帶、巖性變化等）時(shí)，部分地震信號(hào)被反射回來(lái)，部分信號(hào)傳輸?shù)角熬壗橘|(zhì)。 反射的地震信號(hào)將被高度靈敏的地震檢波器接收。 可通過(guò)TSP-win軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，了解隧道前方不利地質(zhì)體的性質(zhì)（弱帶、斷裂帶、斷層、含水層等）、位置和范圍。

TSP-WIN軟件是將收集到的TSP數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的。主要處理的軟件流程有以下具體11個(gè)步驟，首先是數(shù)據(jù)設(shè)置、帶通濾波、初值選擇、選擇處理、槍能量均衡、Q估計(jì)、反射波提取、PS波分離、以及速度分析、深度偏差滾動(dòng)還有突出反光層以上這些就是TSP-WIN軟件處理的主要流程。并且通過(guò)速度進(jìn)行分析，可以將反射信號(hào)的傳播時(shí)間進(jìn)行深度與距離的轉(zhuǎn)化。同時(shí)處理的結(jié)果還可以將隧道軸線的交角與隧道工作面的距離確定反射層所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)空間，并將反射波特征對(duì)地質(zhì)體的性質(zhì)進(jìn)行結(jié)合。P波以及SH 波還有SV波剖面進(jìn)行深度便宜剖面還有提取反射層以及巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等，以及二維范圍內(nèi)的反射層或 3D 檢測(cè)范圍空間分布。

2.2設(shè)備系統(tǒng)組成

采用TSP 203高級(jí)地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。 主要系統(tǒng)組成： 1）錄音單元：12通道，24位A/D轉(zhuǎn)換，采樣間隔62.5和125 μs，最大錄音長(zhǎng)度1，808.5 ms，動(dòng)態(tài)范圍120 dB。 2）在120db的動(dòng)態(tài)范圍。2）地震檢波器，接收器：靈敏度1000 mV/g±5%，頻率范圍0.5～5000Hz，諧振頻率9000Hz，橫向靈敏度>1%，工作溫度0℃～65℃ . 3）TSP-win軟件：數(shù)據(jù)采集和處理一體化。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的大背景下，在地形地貌復(fù)雜的西部地區(qū)修筑公路、鐵路改善交通條件以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是不可避免的趨勢(shì)。在我國(guó)西部在建、擬建的隧道數(shù)量眾多，且這些隧道往往埋深大、長(zhǎng)度大。在這些地區(qū)修建隧道存在著許多風(fēng)險(xiǎn)和困難，巖爆、塌方、斷層等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，這些災(zāi)害嚴(yán)重地威脅著施工安全和人員安全。單一的超前預(yù)報(bào)方法有其局限性，同樣的方法對(duì)相同的區(qū)域開(kāi)展地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果也不盡相同。例如，地質(zhì)分析法結(jié)果較為粗略，只可大體上推斷水文與地質(zhì)情況;地質(zhì)雷達(dá)法有預(yù)報(bào)距離較短、對(duì)施工有一定的影響等缺點(diǎn);而超前鉆探法則很難預(yù)測(cè)鉆孔與鉆孔間的地質(zhì)情況。

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