鉆爆法隧道施工超前地質(zhì)預報現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

曾明生

（四川攀大高速公路開發(fā)有限責任公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

隧道超前地質(zhì)預報指采用一定技術(shù)手段，對隧道開挖掌子面前方地質(zhì)情況及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置及產(chǎn)狀的探測、分析解釋與預報，既是隧道施工必不可少的技術(shù)環(huán)節(jié)[1]，也是防止隧道發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害、及時調(diào)整施工與支護參數(shù)、評判圍巖穩(wěn)定與否的積極有效手段，更是隧道動態(tài)施工設(shè)計與安全施工的必要前提[2]。

當前，因掌子面前方地質(zhì)信息、不良地質(zhì)體分布特征及構(gòu)造情況無法準確獲取，或施工方不重視超前地質(zhì)預報工作而引起隧道掌子面塌方、突水突泥、支護結(jié)構(gòu)失效等情況時有發(fā)生，其不僅嚴重影響隧道施工進度，造成工期滯后，同時還會造成一定經(jīng)濟損失，甚至出現(xiàn)人員傷亡情況，使隧道安全施工面臨巨大挑戰(zhàn)。

因此，在隧道開挖施工中，面對極其復雜、不斷變化的地質(zhì)條件和未查明前方地質(zhì)情況給隧道施工帶來的潛在巨大風險，隧道施工方有必要進行準確、高效的超前地質(zhì)預報工作，以確保隧道掌子面開挖的安全、順利進行[3]。

目前，隧道超前地質(zhì)預報常用方法主要有地質(zhì)分析法、超前鉆探法、地質(zhì)雷達法、TSP 法等，各方法均有一定的局限性，特別是不同隧道地質(zhì)條件各不相同，超前地質(zhì)預報方法適用條件、探測精度也不盡相同。

在對比主流預報方法優(yōu)缺點后，針對隧道開挖掌子面前方地質(zhì)信息的超前準確判識和演化規(guī)律分析，提出以地質(zhì)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以隨鉆測量系統(tǒng)（MWD）為數(shù)據(jù)采集工具，以機器學習算法和大數(shù)據(jù)分析、推演為手段的隧道超前地質(zhì)預報新方法。

1 隧道超前地質(zhì)預報常用方法及其優(yōu)缺點

當前，隧道超前地質(zhì)預報常用方法可以分為四類：

一是超前鉆探類（超前導坑法、超前鉆孔法等），二是地震反射類（TSP 法、TRT 法等），三是電磁類（地質(zhì)雷達法、瞬變電磁法等），四是其他方法（紅外探測法、BEAM 法等）。各類方法均有各自的適用范圍、敏感特性和優(yōu)缺點，各類常見超前地質(zhì)預報方法對比如表1 所示。

表1 常見超前地質(zhì)預報方法比較

2 隧道超前地質(zhì)綜合預報技術(shù)

由于每種超前地質(zhì)預報方法的技術(shù)原理各不相同，其適用條件及探測目標精度也各不相同，僅靠某一種預報方法對隧道進行超前地質(zhì)預報的準確性并不十分可靠。于是，綜合各種預報方法特長，利用多種超前預報方法相互結(jié)合、相互補充、相互驗證的優(yōu)勢，可起到降低探測解譯多解性、提高預報結(jié)果可靠性的作用，從而實現(xiàn)對隧道超前地質(zhì)體性質(zhì)（包括軟硬程度、節(jié)理構(gòu)造發(fā)育程度和富水程度）和空間位置的較準確預測。

2.1 超前地質(zhì)綜合預報

在隧道工程地質(zhì)調(diào)查、掌子面素描、加深炮孔探測的基礎(chǔ)上，對一般風險隧道，采用地震反射類方法進行隧道長距離地質(zhì)的超前預報，采用電磁類法進行隧道短距離地質(zhì)的超前預報，以及采用紅外探測設(shè)備進行隧道含水體的超前探測；而對于高風險隧道，則采用超前水平鉆進行超前鉆探，同時結(jié)合其他各種有效手段進行超前預報，以達到對隧道前方地質(zhì)的綜合預報。

2.2 超前地質(zhì)預報分級與綜合預報方法

超前地質(zhì)預報可分為四個等級：C1 適用于工程地質(zhì)條件簡單的一般地段；C2 適用于不良地質(zhì)較發(fā)育的地層，可能存在涌水、局部擠壓破碎帶等不良地質(zhì)；C3 適用于重大不良地質(zhì)地段，主要是對地勘已經(jīng)標明的不良地質(zhì)體如斷層破碎帶、涌突水段等進行進一步確認；C4 為瓦斯專項探測，適用于含瓦斯地層地段。超前地質(zhì)預報分級如表2 所示。

表2 超前地質(zhì)綜合預報方式

超前地質(zhì)綜合預報工作順序如下：

第一，隧道開挖爆破后立即進行地質(zhì)調(diào)查并進行地質(zhì)素描，一般地段每10m 記錄一次，地質(zhì)條件發(fā)生變化時，增加素描。

第二，利用彈性波法每隔100m 左右探測一次，粗略掌握掌子面前方的不良地質(zhì)分布情況。

第三，采用地質(zhì)雷達或瞬變電磁儀在接近不良地質(zhì)體30m 左右時探測一次，進一步核實與了解不良地質(zhì)的分布情況。

第四，若物探方法初步判定前方有不良地質(zhì)體，當掌子面接近不良地質(zhì)體10m 左右時，應(yīng)采用鉆孔進行驗證。

第五，根據(jù)物探與鉆探結(jié)果，并結(jié)合前期地勘成果及工程地質(zhì)調(diào)查資料，綜合判定不良地質(zhì)體的范圍與程度。

3 隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)探索

隨著我國隧道建設(shè)重點逐漸向地形地質(zhì)條件復雜的深長山嶺隧道轉(zhuǎn)移，隧道施工所面臨的工程地質(zhì)條件正變得愈加復雜多變，各種不良地質(zhì)體給隧道開挖帶來的安全、技術(shù)風險愈加提高，超前地質(zhì)預報工作重要性也愈加凸顯。為了更全面、準確地判斷并掌握隧道施工前方一定區(qū)域的工程地質(zhì)情況，減少或杜絕施工期間地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而保證隧道生產(chǎn)安全，四川路橋集團公路隧道分公司（簡稱“隧道分公司”）在研判超前地質(zhì)預報技術(shù)發(fā)展趨勢、考慮超前地質(zhì)預報技術(shù)需求與現(xiàn)有技術(shù)水平，并結(jié)合一定工程實踐分析的基礎(chǔ)上，提出了未來一段時期內(nèi)隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)發(fā)展的主要方向（內(nèi)容），即：

第一，隧道超前地質(zhì)的定量預報理論與技術(shù)研究；第二，隨鉆測量系統(tǒng)精細超前預報理論與技術(shù)研究；第三，實時超前地質(zhì)預報與施工災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)研究。

3.1 隧道超前地質(zhì)的定量預報理論與技術(shù)研究

當前，隧道超前地質(zhì)預報的主要內(nèi)容是對隧道掌子面前方工程地質(zhì)的定性描述，預測結(jié)果往往與實際地質(zhì)情況偏差較大，難以為隧道施工提供較準確的地質(zhì)依據(jù)。未來，隧道超前地質(zhì)預報內(nèi)容將逐漸由定性描述向定量確定發(fā)展，具體實現(xiàn)途徑為：首先，借助物探法對隧道掌子面前方地質(zhì)進行超前地質(zhì)預報，得到超前預報波形圖，而后收集隧道后續(xù)每一循環(huán)開挖后的掌子面照片，并對掌子面巖體的巖性、節(jié)理和構(gòu)造等地質(zhì)信息作準確描述。其次，利用三維重構(gòu)技術(shù)將一定開挖距離內(nèi)的隧道地質(zhì)體進行地質(zhì)重構(gòu)，建立可反映該距離內(nèi)隧道真實地質(zhì)信息的三維重構(gòu)模型，并與超前預報波形圖建立聯(lián)系。最后，利用圖像深度學習算法對大量重構(gòu)地質(zhì)模型和超前預報波形圖數(shù)據(jù)樣本進行訓練，得到可準確、定量識別隧道超前地質(zhì)信息的優(yōu)化算法，提高物探分析軟件對物探結(jié)果的解譯精度，從而達到對隧道超前地質(zhì)的定量描述。

隧道分公司已在多個隧道項目上線并運行“智慧隧道AI 建造系統(tǒng)”，該系統(tǒng)具備“隧道智庫”版塊功能，可有效、大量收集隧道掌子面照片和第三方超前地質(zhì)預報數(shù)據(jù)，形成隧道掌子面地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)隧道超前地質(zhì)定量化預報和地質(zhì)解譯算法優(yōu)化技術(shù)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 隨鉆測量系統(tǒng)精細超前預報理論與技術(shù)研究

隨鉆測量系統(tǒng)（MWD）是一種通過不斷采集并實時分析鉆桿在鉆進過程中所產(chǎn)生的鉆速、回轉(zhuǎn)與推進壓力等數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對隧道超前地質(zhì)預報的新型預報技術(shù)。該系統(tǒng)主要搭載在鑿巖臺車、多功能鉆孔臺車等鉆探設(shè)備上，而受限于當前裝備技術(shù)水平，鉆探設(shè)備上所搭載的參數(shù)傳感器種類較少，隨鉆測量系統(tǒng)可獲取的鉆進數(shù)據(jù)有限，以至于利用MWD 技術(shù)無法對鉆進巖體地質(zhì)狀況做出準確、較絕對的評價。未來的研發(fā)方向?qū)⑹窃阢@桿上搭載更多用于隧道超前地質(zhì)信息評價的參數(shù)傳感器，如自然伽馬傳感器、方位中子密度傳感器、聲波傳感器、補償雙側(cè)向電阻率傳感器以及高清成像攝像頭等，以采集大量與隧道地質(zhì)信息評價相關(guān)的鉆進數(shù)據(jù)。此外，需補充并完善隨鉆測量系統(tǒng)所涵蓋的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，為鉆進數(shù)據(jù)與地質(zhì)信息的準確關(guān)聯(lián)提供支撐。通過精確匹配鉆進參數(shù)數(shù)據(jù)與地質(zhì)數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系，有望大幅度提高隨鉆測量系統(tǒng)及其技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預報應(yīng)用中的準確性與普適性，實現(xiàn)隧道超前地質(zhì)的隨鉆精細測量與預報。

隧道分公司在“數(shù)字隧道智能建造”示范基地建設(shè)中已引進一臺搭載隨鉆測量系統(tǒng)的全電腦三臂鑿巖臺車，目前已實現(xiàn)較初級的開挖鉆孔內(nèi)巖體的超前預報，為隧道掌子面巖體的自動判識與智能分級提供了較有力的支撐。下一步將繼續(xù)加大對隨鉆測量系統(tǒng)超前地質(zhì)預報功能的優(yōu)化和對地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的完善工作，增加系統(tǒng)對可反映超前地質(zhì)信息其他數(shù)據(jù)的獲取能力，建立已采集數(shù)據(jù)與超前地質(zhì)之間的準確映射關(guān)系，以盡快實現(xiàn)三臂鑿巖臺車對隧道超前地質(zhì)的精細、準確預報。

3.3 實時超前地質(zhì)預報與施工災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)研究

針對超前地質(zhì)預報方法耗時長、探測精度較低的技術(shù)特點，可開展實時超前地質(zhì)預報技術(shù)研究，以實現(xiàn)超前地質(zhì)、災(zāi)害賦存源的定量預報和災(zāi)變過程的實時監(jiān)測。其理論依據(jù)是：隧道貫穿區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)和不良地質(zhì)體的賦存情況有其特殊的復雜性、突變性和隱蔽性。然而，除斷層破碎帶、不同巖層接觸帶等處巖體性質(zhì)可能發(fā)生較大突變外，一定施工時期內(nèi)，隧道掌子面前方巖體則表現(xiàn)出較好的連貫性和規(guī)律性。此外，就整條隧道而言，隧道施工范圍內(nèi)圍巖巖性種類有限，通過建立有限的不同圍巖地質(zhì)體模型，可達到對隧道掌子面前方地質(zhì)體巖性及賦存狀況的實時準確預測、預報。因此，基于海量的掌子面地質(zhì)特征、隨鉆測量數(shù)據(jù)和圍巖地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，利用人工智能技術(shù)優(yōu)勢，通過對所收集的數(shù)據(jù)樣本進行不斷訓練和學習，可研發(fā)對隧道掌子面前方一定距離內(nèi)地質(zhì)情況進行綜合、實時分析預報的自動判識系統(tǒng)。該系統(tǒng)將以圍巖地質(zhì)數(shù)據(jù)庫為地質(zhì)依據(jù)，以隨鉆測量數(shù)據(jù)降低多解性，通過對上傳的掌子面高清照片進行圖像識別與智能判識，自動分析并預測隧道前方一定距離內(nèi)的地質(zhì)情況，且隨著隧道開挖的進行，已開挖隧道內(nèi)的地質(zhì)數(shù)據(jù)將不斷修正、完善圍巖地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和算法規(guī)則，使系統(tǒng)對隧道超前地質(zhì)的巖體分級與預報結(jié)果更加準確。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)將基于預報結(jié)果對施工可能存在的災(zāi)害進行及時監(jiān)測和預警。目前，隧道分公司已與相關(guān)高校科研團隊和企業(yè)合作，對隧道實時超前地質(zhì)預報與施工災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)展開了研究。

4 結(jié)語

本文通過對短期內(nèi)隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)發(fā)展的主要方向進行初步探索，使隧道施工現(xiàn)場超前地質(zhì)預報準確度逐步提升?！爸腔鬯淼繟I 建造系統(tǒng)”在各項目成功應(yīng)用且已積累大量數(shù)據(jù)，為后續(xù)隧道超前地質(zhì)定量化預報和地質(zhì)解譯算法優(yōu)化技術(shù)研究提供了數(shù)據(jù)支撐；全電腦三臂鑿巖臺車的應(yīng)用已實現(xiàn)較初級的開挖鉆孔內(nèi)巖體的超前預報，為隧道掌子面巖體的自動判識與智能分級提供了較有力的支撐；實時超前地質(zhì)預報與施工災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)已進入密切合作和深入研究階段，研究成果將直接應(yīng)用于現(xiàn)場施工，實時對現(xiàn)場施工進行監(jiān)控，提升預測準確性。