试析隧道施工中地质预报技术

城市建设最近一期
试析隧道施工中地质预报技术
熊立勇
摘要：随着科学技术的发展，地质预报的方法法多种多样，本文探讨了如何综合应用这些方法，经济科学地进行超前地质预报。并介绍了隧道地质超前预报工作的实施情况，探讨了在隧道应用的几种超前地质预报技术手段及其工作原理、适用性、优缺点、实施效果等。隧道地质预报工作是隧道施工的一道重要工序，也是隧道施工中防灾减灾的一个重要手段。实践证明，施工超前地质预报对减少塌方、快速施工起着极为重要的作用。可对今后的长大隧道及地下工程超前地质预报工作提供参考。
关键词：隧道施工；地质；超前；预报

1 引言
公路隧道在设计与施工前期，要进行详细的地质勘查，但是由于地质条件的复杂性，在设计阶段准确摸清待建隧道的地质情况是十分困难的，因此，开挖前对地质情况的了解对于隧洞建设有着十分重要的作用。通过超前预报，可以及时发现掌子面前方的异常情况，了解前方地质情况，据此可以选择正确的开挖断面、支护参数并优化施工方案，并可以事先做好防水、防塌方、防突泥等各种施工预案，确保施工安全，同时还可节约大量资金和施工工期。所以隧洞超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。
2 隧道超前地质预报技术
2．1 收集并熟悉已有的资料
在隧道开工之前应及时收集隧道的设计及地质资料，并详细对所收集资料进行阅读和研究，了解隧道的工程地质和水文地质情况，掌握隧道所处区域的地形地貌、地质构造、地层岩性、气候情况和河流分布情况等，做到对隧道所处地质情况有一个比较全面和深刻的认识。然后据此制定预报方案，做到未雨绸缪。
2．2 地质素描法
掌子面地质素描法是对已开挖掌子面的地质状况在现场作实地调查，并进行详细分析，采集必要的数据。地质素描是对开挖面的地质情况如实而准确的反映，主要内容有：a)岩性是最基本的地质资料。主要描述岩石名称、颜色、结构、构造、矿物成分、风化程度等。b)断层主要描述断层位置、产状、断层破碎带宽度及构造类型、断层性质及其与其他断层的关系、派生节理产状、密度及充填物等。c)贯穿性节理主要描述节理产状、密度、宽度、延伸情况、节理面特征(光滑、粗糙、起伏不平)、出露位置等。d)岩脉主要描述岩脉的岩性，出露位置、宽度、接触关系、破碎情况、风化程度等。e)水主要描述出水点位置及其与断层和节理的关系、出水量大小及流速、有无异味、水是否清澈或含有泥或其他杂物、水温等，同时了解水是否具有侵蚀性。还应判断隧道出水与地表径流或水库及其他水源等是否存在补给关系，并据此提前做好必要的排水措施，以防止造成涌水事故。掌子面是隧道施工前方岩体唯一的暴露面，如实记录施工掌子面上的信息对施工前方地质预报有很高的价值，而且地质素描法不占用施工时间，对施工无干扰，应用成本极低，因此该法是最基本最易实施的超前预报方法。但应该看到该法也有一定的劣势，一是对操作者的素质要求较高，操作者必须有深厚的地质知识和逻辑判断能力；二是在地质条件极为复杂多变的隧道中其预报的准确性较低不宜采用。
2．3 地质雷达法
2．3．1原理及特点
地质雷达法是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，对雷达图像进行处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。地质雷达法操作相对简单，探测速度快，对施工干扰小，其对空洞、水体、断裂破碎带等的反映较灵敏，其探测距离一般与岩体的类别、含水量、破碎情况等有较大关系，一般来讲，探测深度可达2O～40 m左右，围岩破碎或含水量较大时探测深度较小。甚至低于10m。
2．3．2 应用情况
在某高速公路中II号隧道超前地质预报工作中采用国产LTD一2000型地质雷达进行短距离地质超前预报，效果均较为良好。成功预测了软弱夹层、小型断裂带、含水夹层等不良地质体，并指导施工单位调整施工方法和支护参数，有效避免了坍塌等不利状况的发生。下面以实例说明。图1为在某高速公路中II号隧道掌子面地质雷达频谱图，从图中可以看出左半部有一异常区域，该区域雷达信号极弱，被强烈吸收，而该处对应掌子面区域出露为一约1．5 m宽石英岩脉，因此推断该处异常为地质雷达波在整体性较好的石英岩脉中强烈衰减所致，而雷达信号在10 m后变大，因此推断该岩脉约在10 m后消失；其他区域雷达波较为凌乱、无明显规律，推断这些区域围岩裂隙较为发育，局部较为破碎，导致雷达波信号不均匀反射所致。开挖后石英岩脉基本消失，而围岩情况则为裂隙较为发育，局部岩石松散破碎，证实了推断的正确性。

图1 掌子面地质雷达频谱图
2．3．3 超前地质预报技术应用体会
根据实际隧道施工中的经验，总结出超前地质预报技术应用的四点经验：1)地质雷达技术是一种先进的地质探测方法，其预测精度高、操作简单、对施工干扰小，但其影响因素多，如天线的布置方向、岩体的特性、含水情况、金属物件的存在、其他电磁信号等都影响到预报结果的准确性。因此地质雷达预报必须要结合地质素描法应用，以掌子面围岩及出水状况结合地质雷达频谱图综合分析推定前方围岩情况。2)掌子面平整情况影响到采集数据的真实度，掌子面金属物件也会影响到探测信号的真实性，因此在探测前应尽量保证掌子面相对平整并无金属物件。3)在实施探测时，应先进行初步探测，如发现异常情况，必须进行反复探测，用点测和连续探测两种方法对比探测，以尽量提高探测的准确性，确保不遗漏前方重大险情。4)地质雷达技术正在不断发展，其技术尚待完善，其判读基本上还是完全靠人完成，客观性较差，受人的主观性影响较大，因此其探测精度因人而异。因此，要提高精度探测，操作者一方面要不断对比分析、积累经验，另一方面要结合其他探测手段综合分析。
2．4 超前钻探法
超前钻探法即从隧道掌子面向前打孔，根据钻进速度的变化，并观察岩粉和泥浆颜色、钻孔的出水情况来预测打孔深度范围内的地质和水文情况。该法直接揭示了隧道掌子面前方的地质特征，准确率很高。但是该法操作时占用施工时间较长，应用成本较大，在地质条件极为复杂多变的隧道中其准确度也不令人满意，因而该法在国内一般作为验证性方法使用，即在地质雷达法及其他方法探出前方异常时再进行钻孔探测以准确探知前方实际状况。在某公安速公路II号隧道的超前地质预报工作中，在局部地质条件异常区段也采用了该法，进行了短距离地质超前预报，预报结果同地质素描法和地质雷达法结果相互印证，提高了预报结果的准确性。
3 地质预报流程
一般地，高速公路隧道施工中的地质超前预报的工作流程如图2所示。

图2 地质预报流程
4 结语
隧道超前地质预报可以探知前方不良地质状况，据此可以改变施工方法和支护参数，预防灾害和事故发生，可以有效地达到节省工期、节省投资确保安全的目的，因此其应用越来越广泛。但隧道施工地质超前预报在我国应用时间较短，实践经验有限，有些预报手段或方法还不太成熟。因此操作者在实际预报实践过程中，要不断积累经验，结合多种手段、多种方法，互相印证，以提高预报精度，服务于隧道施工。
参考文献：
【1] 中国科学院地质研究所．隧道快速施工超前地质预报指南【M】．北京：中国铁道出版社，1990．
【2】李卫华．超前地质预报技术在武隆隧道岩溶地质施工中的应用【J】．铁道标准设计，2002(S1)：29—31．
【3] 关宝树．隧道工程施工要点集【M】．北京：人民交通出版社。2003．
【4] 李大心．探地雷达方法与应用【M】．北京：地质出版社，1994

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