隧道工程中超前地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用

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摘要:從超前地質(zhì)預(yù)報的原則入手，介紹了超前地質(zhì)預(yù)報的方法，如地質(zhì)分析法、地質(zhì)雷達(dá)法、彈性波反射法等，對比分析了幾個方法的優(yōu)缺點，并結(jié)合崤山隧道項目進行分析，詳細(xì)研究了各類超前地質(zhì)預(yù)報方法在其中的運用，以期為相關(guān)工程帶來借鑒。

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

1超前地質(zhì)預(yù)報的原則

1)隧道超前地質(zhì)預(yù)報關(guān)系到整個施工環(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)施工單位在進行超前地質(zhì)預(yù)報的時候應(yīng)根據(jù)復(fù)雜程度劃分不同等級，找出核心內(nèi)容，嚴(yán)格依照動態(tài)設(shè)計原則開展各項施工，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)報方法、設(shè)定科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。3)施工單位可通過地質(zhì)調(diào)查和勘測結(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，對所得結(jié)果進行全面分析，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)容或兩個隧道之間距離較近，此時施工人員可充分借助這些導(dǎo)坑開展各項超前地質(zhì)預(yù)報工作。

2超前地質(zhì)預(yù)報方法

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)，分析其補排條件;③隧道設(shè)計應(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的方法之一，主要是借助干擾小的高頻窄脈沖電磁波來探查各類介質(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探測是超前地質(zhì)預(yù)報中地震波法的一種，該方法從數(shù)據(jù)采集、處理等方面都具有一定的優(yōu)勢。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，來預(yù)報隧道掌子面前方及周圍鄰近區(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，為進一步施工提供指導(dǎo)，避免施工及運營過程中發(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行。在崤山隧道項目中就運用到了TSP探測法。4)超前水平鉆法。相較于其他預(yù)報方法，超前水平鉆法更加直接真實，施工人員可從掌子面取芯，通過對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間成本，占用施工時間長且探測范圍較小。

3主要預(yù)報方法的特點

項目單位要區(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)報體系，將整個預(yù)報過程分成短期預(yù)報、宏觀預(yù)報、中長距離預(yù)報以及特殊方法預(yù)報等不同階段［2］。施工人員可借助對地質(zhì)狀況的有效預(yù)報，使用專業(yè)的方法進行處理，從而幫助隧道安全穿越巖溶區(qū)段(見表1)。

4工程實例

崤山隧道在河南省界內(nèi)，進口、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)車家?guī)X周邊，右側(cè)臨近G209國道。隧道包含兩個單洞，左右兩線分別長22751m與22771m。該隧道屬于整條線路中長度最長的隧道線路，周圍海拔高約600～1400m，海拔最長值可達(dá)1470m。此外，該隧道整個地質(zhì)構(gòu)造、水文環(huán)境復(fù)雜，需嚴(yán)格進行勘測。

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)對項目進行超前地質(zhì)預(yù)報。而根據(jù)實際情況來看，項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:項目單位施工過程中要重視支護工作的開展，特別是拱頂位置需要做好支護，以避免出現(xiàn)掉塊、局部坍塌等問題的發(fā)生。同時，施工單位還要對其進行超前水平鉆孔探測，做好排水工作。DK701+716～DK701+796段的圍巖等級為四級。

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，保障施工的安全開展，項目單位超前地質(zhì)預(yù)報小組于2017年6月下旬開展了超前探測工作，項目共包含兩個探鉆孔，施工操作均在掌子面臺中進行，同時，施工所選用的鉆機型號應(yīng)為ZH430C，鉆孔深度為45m，從水平方向鉆進。圖1為孔位布置。通過鉆孔發(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，圍巖結(jié)構(gòu)開始變得完整堅硬，鉆速均勻緩慢，同樣未出現(xiàn)卡鉆問題。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)卡鉆問題;當(dāng)鉆至7～27m之間時，圍巖存在裂隙，部分區(qū)域存在破碎，該部位進鉆勻速，未出現(xiàn)卡鉆問題，無水;而當(dāng)鉆至27～45m時，圍巖結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定性能較好，未出現(xiàn)卡鉆問題，無水。施工人員經(jīng)過超前鉆孔探測發(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，在施工的過程中項目單位人員應(yīng)注重超前支護工作的開展，嚴(yán)格進行工序管理，及時封閉與監(jiān)控量測，避免產(chǎn)生安全事故。為了解隧道DK701+751路段的地質(zhì)狀況，保障施工的安全開展，項目單位超前地質(zhì)預(yù)報小組于2017年7月中旬開展了超前探測工作，探鉆共計包含兩個探鉆孔，施工操作均在掌子面臺中進行。施工所選用的鉆機同樣是型號為ZH430C的鉆機，鉆孔深度為45m，從水平方向鉆進。圖2為孔位布置。通過鉆孔發(fā)現(xiàn)地質(zhì)狀況如下。1)鉆孔DKZK－1:當(dāng)對DK701+751～DK701+778位置鉆孔時，進鉆速度控制在9～10min/3m，整體結(jié)構(gòu)不完整，部分破碎嚴(yán)重，鉆進過程中未發(fā)生卡鉆問題;而當(dāng)對DK701+778～DK701+787位置鉆孔時，進鉆速度控制在5～8min/3m，整體結(jié)構(gòu)不完整，巖層較軟，鉆進過程中未發(fā)生卡鉆問題，無水;當(dāng)對DK701+787～DK701+796進行鉆孔時，速度達(dá)到8min/3m，此時出現(xiàn)了少量滲水。2)鉆孔DKZK－2:當(dāng)對DK701+751～DK701+757位置鉆孔時，進鉆速度控制在8～10min/3m，整體結(jié)構(gòu)不完整，部分破碎嚴(yán)重，鉆速較高，鉆進過程中未發(fā)生卡鉆問題;當(dāng)對DK701+757～DK701+778位置鉆孔時，進鉆速度控制在7～8min/3m，整體結(jié)構(gòu)不完整，勻速進鉆，未發(fā)生卡鉆問題，無水;當(dāng)對DK701+778～DK701+796進行鉆孔時，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)卡鉆問題，無水。施工人員經(jīng)過超前鉆孔探測發(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

隧道項目風(fēng)險極高，假設(shè)預(yù)測存在失誤，將極有可能對整個安全施工造成影響，拖延整體工期。本文將崤山隧道項目當(dāng)成具體研究對象進行分析，研究了不同預(yù)報方法所適用的對象、適宜使用具體以及設(shè)備在施工過程中易受的各項影響因素，望為類似項目所參考。

參考文獻:

［1］楊小平．隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法研究［J］．工程機械與維修，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)工程檢測有限公司