隧道施工中超前地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用獲獎科研報告

隧道施工中超前地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用獲獎科研報告【摘

要】隧道工程在大型項目如水利水電、公路、鐵路中具有重要作用，設(shè)計勘察隧道工程時，勘察工作已經(jīng)開始實施，但是因為勘察經(jīng)費、時間、技術(shù)和地質(zhì)情況等限制，勘察階段獲取的資料通常情況下不能滿足施工階段的要求。修建復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域隧道過程中，為了提升施工的安全性，降低施工災(zāi)害發(fā)生率，需要事先實施超前地質(zhì)預(yù)報。以某隧道舉例，使用GPR、TSP-203等物探方法對其進行地質(zhì)探測和分析，結(jié)果顯示現(xiàn)場實際狀況和探測結(jié)果相一致，顯著提升施工安全性，降低風(fēng)險發(fā)生率，有效促進隧道施工工作的進行。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)雷達;超前地質(zhì)預(yù)報;GPR

前言：

近年來，我國社會經(jīng)濟水平迅速提升，交通事業(yè)也在不斷前進和完善，特別是鐵路建設(shè)行業(yè)，我國已經(jīng)成為全球隧道修建難度最大、規(guī)模最大的國家。重大工程建設(shè)逐漸轉(zhuǎn)移向巖溶地區(qū)和具有極端復(fù)雜地質(zhì)地形的西部山區(qū)，未來眾多深長高風(fēng)險隧道會在這里修建。施工前期深長隧道中不能對沿線不良地質(zhì)情況全部查清，這會提升施工期間重大地質(zhì)災(zāi)害，如大變形、塌方、突水突泥等情況出現(xiàn)的幾率，部分隧道無奈改線或者停止修建，機械設(shè)備報廢，施工人員受到傷害，嚴(yán)重者甚至失去生命。對經(jīng)濟和環(huán)境造成十分惡劣的影響。

一、超前地質(zhì)預(yù)報發(fā)展現(xiàn)狀及基本原理

1.1TSP超前地質(zhì)預(yù)報

地震波的產(chǎn)生是因為二十四個爆破點上的少量炸藥產(chǎn)生爆炸，地震入射波一旦遇到有變化的巖層或者巖體結(jié)構(gòu)時，因為分界面上具有不同的介質(zhì)，所以部分地震入射波會被反射，TSP超前預(yù)報系統(tǒng)利用這一原理，使用電子傳感器接收到信號。巖體中的地震波傳播速度固定，因此入射波到達不同巖體分界面和反射波的到達時間的距離成正比關(guān)系，可對測點和地質(zhì)變化帶的距離進行間接測量，對隧道掌子面前方的圍巖地質(zhì)狀況和地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行預(yù)測[1]。

1.2地質(zhì)雷達探測法

地質(zhì)雷達探測法是通過發(fā)射機進行脈沖電磁波的發(fā)射，部分直達波經(jīng)掌子面進行傳播，另一部分電磁波傳播入巖體，傳播波的期間，如果遇到的巖體具有不同電性，電磁波發(fā)射，后達到接收機。按照以上波傳播時間對掌子面前方巖體的位置情況進行精確了解。地質(zhì)雷達探測法應(yīng)用廣泛，在考古、礦產(chǎn)資源、隧道、煤礦、水電站、鐵路、公路等領(lǐng)域均有涉及。

1.3超前鉆探法

超前鉆探法是超前地質(zhì)預(yù)報中最直觀的、直接的探測方法，通常情況下，鉆探位置為三十到五十米，可以探測隧道中物探異常區(qū)、煤層瓦斯發(fā)育區(qū)、富水巖溶、富水軟弱斷層破碎地段等，但該方法使用成本較高，嚴(yán)重影響正常施工，因此使用具有一定的限制。優(yōu)點預(yù)報加深炮眼時，范圍僅限三到八米，在巖溶區(qū)實用性更強，不影響正常施工，可行性和操作性極強，準(zhǔn)確預(yù)報圍巖巖溶發(fā)育區(qū)和地下水發(fā)育區(qū)。

1.4綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系

預(yù)報隧道超前地質(zhì)方法眾多，例如地質(zhì)調(diào)查法、超前炮孔、超前水平鉆、TSP、地質(zhì)雷達、紅外探測、水平聲波剖面等。但是預(yù)報方法的不同也會對不良地質(zhì)體的預(yù)報效果產(chǎn)生影響，因此實施隧道超前地質(zhì)預(yù)報時，需要針對工程地質(zhì)水文狀況對區(qū)和段進行區(qū)分，并聯(lián)系超前預(yù)報措施的不同特點，使用預(yù)報措施，這樣才能夠有效快速的對地質(zhì)災(zāi)害情況進行預(yù)報。TSP超前預(yù)報方法能夠定量探測巖體的彈性模量、泊松比、縱橫波速等相關(guān)參數(shù)，可以可靠、準(zhǔn)確的預(yù)測掌子面前方遭遇到的幾乎與隧道軸線垂直的不良地質(zhì)體界面結(jié)果，若是溶洞體呈近平面狀并且尺寸較大，不良地質(zhì)體存在不規(guī)則的界面形狀，表示準(zhǔn)確預(yù)報具有較高難度，信號反映情況不佳，同時占用較長工期，每次預(yù)報工作耗時在一到兩小時之間，每次預(yù)報距離大概在一百五十米到兩百米。

地質(zhì)雷達法可對掌子面前方進行有效識別地層巖性的變化，辨識含水破碎帶和斷層破碎帶具有顯著效果，能夠?qū)τ克M行預(yù)報，對含水巖溶裂隙、較大水體、充水溶洞、斷層破碎帶的規(guī)模和位置進行預(yù)測，缺點是每次進行預(yù)報需要花費三十分鐘或者一個小時的時間，容易被洞內(nèi)機械金屬所影響，并且探測距離只有二十到三十米，距離較短[2]。

二、工程實例

2.1工程概況

某隧道DIK55+550～DIK55+580段掌子面顯示奧陶系下統(tǒng)紅花園組、分鄉(xiāng)組、南津關(guān)組，礦物成分主要為方解石，顏色為青灰色或者淺灰色，巖石表面溶蝕嚴(yán)重，巖質(zhì)堅硬，巖體較完整，溶痕、溶蝕溝槽等發(fā)育，錘擊聲清脆，節(jié)理較發(fā)育，中厚-厚層狀。單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，巖層產(chǎn)狀為E/10°～15°S，N40°～50°。掌子面局部夾泥、破碎，中部偏左位置存在裂隙，其中夾帶少量泥土，拱頂上方偏左處存在豎向溶洞，直徑大概在一點五米，高度為八米。

2.2綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系預(yù)測結(jié)果

探測掌子面前方的地質(zhì)情況可以使用TSP203PLUS，在掌子面左側(cè)壁布置炮眼，完成地質(zhì)探測之后，使用TSPwin處理收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而得出巖石物性參數(shù)、P波反射界面等成果。研究表明圍巖縱、橫波速度具有較大變化，反射界面較多，動態(tài)楊氏模量值全面降低，泊松比整體升高。預(yù)測圍巖強度較前段變差，局部破碎，巖體較破碎，溶蝕裂隙發(fā)育?？梢栽俅问褂贸八姐@和地質(zhì)雷達對巖石情況進行探測。

使用地質(zhì)雷達探測掌子面前方的地質(zhì)情況，屏蔽天線選擇100MHz，探測方法采用應(yīng)用點測法。將水平雷達測線布置在掌子面中部和下部，使其與隧道軸線走向垂直。結(jié)果顯示此次探測距離為二十米，里程樁號范圍為DIK55+574～DIK55+554。DIK55+568～DIK55+554段范圍內(nèi)上圍巖整體上具有較高的完整性，泥質(zhì)夾層存在于掌子面右前方四到八米處，并且掌子面六至八米范圍內(nèi)以左側(cè)二到四米范圍內(nèi)具有泥質(zhì)夾層。DIK55+574～DIK55+568段范圍內(nèi)圍巖含裂隙水，較為破碎，與上段圍巖對比，完整性有所降低。

2.3現(xiàn)場開挖情況對比驗證

開挖相應(yīng)里程之后發(fā)現(xiàn)其中存在節(jié)理裂隙發(fā)育，鉆探結(jié)果和開挖結(jié)果均表明使用探地雷達結(jié)合TSP超前預(yù)報方法在隧道不良地質(zhì)預(yù)測方面的顯著效果[3]。

三、結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合工程實際情況，在工程實踐中運用綜合超前地質(zhì)預(yù)報