隧道工程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用

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摘要:從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原則入手，介紹了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，如地質(zhì)分析法、地質(zhì)雷達(dá)法、彈性波反射法等，對(duì)比分析了幾個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合崤山隧道項(xiàng)目進(jìn)行分析，詳細(xì)研究了各類(lèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在其中的運(yùn)用，以期為相關(guān)工程帶來(lái)借鑒。

關(guān)鍵詞:超前地質(zhì)預(yù)報(bào);隧道工程;地質(zhì)雷達(dá)

1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原則

1)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)關(guān)系到整個(gè)施工環(huán)境的安全，施工單位應(yīng)將其看做隧道施工必要流程之一。2)施工單位在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的時(shí)候應(yīng)根據(jù)復(fù)雜程度劃分不同等級(jí)，找出核心內(nèi)容，嚴(yán)格依照動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原則開(kāi)展各項(xiàng)施工，了解施工環(huán)境中的地質(zhì)情況，依照隧道區(qū)段地質(zhì)復(fù)雜特征選取合適的預(yù)報(bào)方法、設(shè)定科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。3)施工單位可通過(guò)地質(zhì)調(diào)查和勘測(cè)結(jié)合、將物探和鉆探結(jié)合、遠(yuǎn)距離和近距離結(jié)合、地下和地上結(jié)合等手段，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行全面分析，避免出現(xiàn)失誤，盡可能提升精準(zhǔn)度［1］。4)若是施工隧道包含正洞超前導(dǎo)坑、平行導(dǎo)坑等內(nèi)容或兩個(gè)隧道之間距離較近，此時(shí)施工人員可充分借助這些導(dǎo)坑開(kāi)展各項(xiàng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

1)地質(zhì)分析法。主要作用有:①基于露頭、地層研究該區(qū)域巖溶發(fā)育狀況;②研究地下水、地表水的關(guān)聯(lián)，分析其補(bǔ)排條件;③隧道設(shè)計(jì)應(yīng)參照巖溶發(fā)育狀況的預(yù)判;④了解沉積物分布、巖溶水體的化學(xué)與動(dòng)力特性等。2)地質(zhì)雷達(dá)法。地質(zhì)雷達(dá)法屬于地球物理勘測(cè)的方法之一，主要是借助干擾小的高頻窄脈沖電磁波來(lái)探查各類(lèi)介質(zhì)，并在電磁波反射下完成數(shù)據(jù)反演，找出異常。3)彈性波反射法(TSP)。TSP探測(cè)是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中地震波法的一種，該方法從數(shù)據(jù)采集、處理等方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)。其工作原理是根據(jù)地震波在不均勻介質(zhì)中產(chǎn)生的反射特性，來(lái)預(yù)報(bào)隧道掌子面前方及周?chē)徑鼌^(qū)域的地質(zhì)情況，包括巖體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)以及地下水和瓦斯等賦存情況，為進(jìn)一步施工提供指導(dǎo)，避免施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生涌水、巖爆、大變形等地質(zhì)災(zāi)害，保證施工的安全和順利進(jìn)行。在崤山隧道項(xiàng)目中就運(yùn)用到了TSP探測(cè)法。4)超前水平鉆法。相較于其他預(yù)報(bào)方法，超前水平鉆法更加直接真實(shí)，施工人員可從掌子面取芯，通過(guò)對(duì)巖芯巖性的分析研究了解周邊環(huán)境地質(zhì)狀況。但是，使用這種方法往往需消耗大量時(shí)間成本，占用施工時(shí)間長(zhǎng)且探測(cè)范圍較小。

3主要預(yù)報(bào)方法的特點(diǎn)

項(xiàng)目單位要區(qū)分不同方法的特征與適用范圍，構(gòu)建相應(yīng)的密集巖溶區(qū)綜合預(yù)報(bào)體系，將整個(gè)預(yù)報(bào)過(guò)程分成短期預(yù)報(bào)、宏觀(guān)預(yù)報(bào)、中長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)以及特殊方法預(yù)報(bào)等不同階段［2］。施工人員可借助對(duì)地質(zhì)狀況的有效預(yù)報(bào)，使用專(zhuān)業(yè)的方法進(jìn)行處理，從而幫助隧道安全穿越巖溶區(qū)段(見(jiàn)表1)。

4工程實(shí)例

崤山隧道在河南省界內(nèi)，進(jìn)口、出口分別設(shè)在靈寶市寺河鄉(xiāng)細(xì)嶺口與盧氏縣官道口鎮(zhèn)車(chē)家?guī)X周邊，右側(cè)臨近G209國(guó)道。隧道包含兩個(gè)單洞，左右兩線(xiàn)分別長(zhǎng)22751m與22771m。該隧道屬于整條線(xiàn)路中長(zhǎng)度最長(zhǎng)的隧道線(xiàn)路，周?chē)０胃呒s600～1400m，海拔最長(zhǎng)值可達(dá)1470m。此外，該隧道整個(gè)地質(zhì)構(gòu)造、水文環(huán)境復(fù)雜，需嚴(yán)格進(jìn)行勘測(cè)。

4．1地質(zhì)雷達(dá)

崤山隧道工程中，選用了俄羅斯OKO－2和重慶TETSP兩種地質(zhì)雷達(dá)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。而根據(jù)實(shí)際情況來(lái)看，項(xiàng)目存在不同地段的地質(zhì)條件差異化的特征，其中DK701+730～DK701+754段落中巖層呈現(xiàn)節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)大多不完整，穩(wěn)定性能不佳。DK701+754～DK701+796段落同樣存在巖層節(jié)理裂隙發(fā)育現(xiàn)象，局部地區(qū)存在裂隙水，穩(wěn)定性能不佳。建議措施:項(xiàng)目單位施工過(guò)程中要重視支護(hù)工作的開(kāi)展，特別是拱頂位置需要做好支護(hù)，以避免出現(xiàn)掉塊、局部坍塌等問(wèn)題的發(fā)生。同時(shí)，施工單位還要對(duì)其進(jìn)行超前水平鉆孔探測(cè)，做好排水工作。DK701+716～DK701+796段的圍巖等級(jí)為四級(jí)。

4．2TSP法

表2為崤山隧道工程使用TSP法的具體里程。

4．3超前水平鉆

為了解隧道DK701+716路段的地質(zhì)狀況，保障施工的安全開(kāi)展，項(xiàng)目單位超前地質(zhì)預(yù)報(bào)小組于2017年6月下旬開(kāi)展了超前探測(cè)工作，項(xiàng)目共包含兩個(gè)探鉆孔，施工操作均在掌子面臺(tái)中進(jìn)行，同時(shí)，施工所選用的鉆機(jī)型號(hào)應(yīng)為ZH430C，鉆孔深度為45m，從水平方向鉆進(jìn)。圖1為孔位布置。通過(guò)鉆孔發(fā)現(xiàn)地質(zhì)狀況如下。鉆孔DKZK－1:42m深內(nèi)，圍巖結(jié)構(gòu)不完整，部分區(qū)域破碎嚴(yán)重，此部位鉆速較高，并未出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象;當(dāng)鉆入42～45m時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得完整堅(jiān)硬，鉆速均勻緩慢，同樣未出現(xiàn)卡鉆問(wèn)題。鉆孔DKZK－2:7m深內(nèi)，圍巖結(jié)構(gòu)不完整、巖質(zhì)較軟，部分區(qū)域破碎嚴(yán)重，此階段鉆速高、并未出現(xiàn)卡鉆問(wèn)題;當(dāng)鉆至7～27m之間時(shí)，圍巖存在裂隙，部分區(qū)域存在破碎，該部位進(jìn)鉆勻速，未出現(xiàn)卡鉆問(wèn)題，無(wú)水;而當(dāng)鉆至27～45m時(shí)，圍巖結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定性能較好，未出現(xiàn)卡鉆問(wèn)題，無(wú)水。施工人員經(jīng)過(guò)超前鉆孔探測(cè)發(fā)現(xiàn)前方45m地質(zhì)狀況如下所示:在DK701+716～DK701+761地段中，母巖是安山巖，顏色為灰綠色，整體呈現(xiàn)弱風(fēng)化，其中部分為強(qiáng)風(fēng)化，巖層結(jié)構(gòu)存在裂隙，整體破碎，部分破碎嚴(yán)重，穩(wěn)定性能不佳，且存在部分裂隙水。因此，在施工的過(guò)程中項(xiàng)目單位人員應(yīng)注重超前支護(hù)工作的開(kāi)展，嚴(yán)格進(jìn)行工序管理，及時(shí)封閉與監(jiān)控量測(cè)，避免產(chǎn)生安全事故。為了解隧道DK701+751路段的地質(zhì)狀況，保障施工的安全開(kāi)展，項(xiàng)目單位超前地質(zhì)預(yù)報(bào)小組于2017年7月中旬開(kāi)展了超前探測(cè)工作，探鉆共計(jì)包含兩個(gè)探鉆孔，施工操作均在掌子面臺(tái)中進(jìn)行。施工所選用的鉆機(jī)同樣是型號(hào)為ZH430C的鉆機(jī)，鉆孔深度為45m，從水平方向鉆進(jìn)。圖2為孔位布置。通過(guò)鉆孔發(fā)現(xiàn)地質(zhì)狀況如下。1)鉆孔DKZK－1:當(dāng)對(duì)DK701+751～DK701+778位置鉆孔時(shí)，進(jìn)鉆速度控制在9～10min/3m，整體結(jié)構(gòu)不完整，部分破碎嚴(yán)重，鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生卡鉆問(wèn)題;而當(dāng)對(duì)DK701+778～DK701+787位置鉆孔時(shí)，進(jìn)鉆速度控制在5～8min/3m，整體結(jié)構(gòu)不完整，巖層較軟，鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生卡鉆問(wèn)題，無(wú)水;當(dāng)對(duì)DK701+787～DK701+796進(jìn)行鉆孔時(shí)，速度達(dá)到8min/3m，此時(shí)出現(xiàn)了少量滲水。2)鉆孔DKZK－2:當(dāng)對(duì)DK701+751～DK701+757位置鉆孔時(shí)，進(jìn)鉆速度控制在8～10min/3m，整體結(jié)構(gòu)不完整，部分破碎嚴(yán)重，鉆速較高，鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生卡鉆問(wèn)題;當(dāng)對(duì)DK701+757～DK701+778位置鉆孔時(shí)，進(jìn)鉆速度控制在7～8min/3m，整體結(jié)構(gòu)不完整，勻速進(jìn)鉆，未發(fā)生卡鉆問(wèn)題，無(wú)水;當(dāng)對(duì)DK701+778～DK701+796進(jìn)行鉆孔時(shí)，速度達(dá)到8min/3m，整體結(jié)構(gòu)破碎，部分破碎嚴(yán)重，未出現(xiàn)卡鉆問(wèn)題，無(wú)水。施工人員經(jīng)過(guò)超前鉆孔探測(cè)發(fā)現(xiàn)前方45m地質(zhì)狀況如下所示:在DK701+751～DK701+796地段中，母巖是安山巖，顏色為灰綠色或灰黑色，整體呈現(xiàn)弱風(fēng)化，其中部分為強(qiáng)風(fēng)化，巖層結(jié)構(gòu)存在裂隙，整體破碎，部分破碎嚴(yán)重，穩(wěn)定性能不佳，且存在部分裂隙水。

5結(jié)束語(yǔ)

隧道項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)極高，假設(shè)預(yù)測(cè)存在失誤，將極有可能對(duì)整個(gè)安全施工造成影響，拖延整體工期。本文將崤山隧道項(xiàng)目當(dāng)成具體研究對(duì)象進(jìn)行分析，研究了不同預(yù)報(bào)方法所適用的對(duì)象、適宜使用具體以及設(shè)備在施工過(guò)程中易受的各項(xiàng)影響因素，望為類(lèi)似項(xiàng)目所參考。

參考文獻(xiàn):

［1］楊小平．隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法研究［J］．工程機(jī)械與維修，2020，27(3):158－160．

［2］夏方華，郭有剛，劉明，等．超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在杭臨城際隧道勘察中的應(yīng)用［J］．工程技術(shù)研究，2019，42(24):104－105．

作者：劉康 單位：湖北中冶建設(shè)工程檢測(cè)有限公司