綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在隧道施工的應(yīng)用范文

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摘要:為了提高單一的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法在隧道工程施工中對掌子面前方地質(zhì)情況預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與可靠性，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全，在新建鐵路蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道三門峽至荊門段核桃園隧道施工過程中，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)三種方法對隧道掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行探測，經(jīng)綜合分析，較為成功的預(yù)測到巖溶和巖溶水的存在，取得了較好的效果，說明了綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)相對于單一方法而言，更具有優(yōu)越性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞:綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)；隧道工程；施工安全；巖溶

0引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，國家在基礎(chǔ)建設(shè)上的投入越來越大。近幾年來，國內(nèi)交通建設(shè)發(fā)展迅速，而隧道工程往往是交通建設(shè)中無可避免，也是在施工過程中較容易發(fā)生突水、涌水、掉塊、塌方等工程事故的工程，因此，在隧道工程開挖前，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作就顯得尤為重要。目前，國內(nèi)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的常用方法有:地質(zhì)預(yù)報(bào)法、超前勘探法(包括超前水平鉆孔、平行導(dǎo)洞法、先進(jìn)導(dǎo)洞法)、物探法(電法、電磁波法、地震波法)等。在過去大量隧道工程施工過程中，多采用某種單一的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法，來對施工掌子面前方巖土體情況、不良地質(zhì)體的工程部位及成災(zāi)可能性作出預(yù)測和預(yù)報(bào)。然而，在開挖過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)情況往往與預(yù)報(bào)不太相符，這充分說明了單一的方法準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，為了加快施工進(jìn)度，確保施工安全，保證工程質(zhì)量，采用多種方法同時(shí)對施工掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行探測，將所得結(jié)論進(jìn)行相互論證，相互補(bǔ)充，以提高預(yù)報(bào)的可靠性和準(zhǔn)確性。

1工程概況

新建鐵路蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道三門峽至荊門段核桃園隧道位于河南省南陽市西峽縣西坪鎮(zhèn)境內(nèi)豫西秦嶺東段，隧址為丘陵地貌，地形起伏大，溝谷狹長，多呈“V”字型，隧道采用單洞雙線隧道形式，起訖里程為DK817+849～DK819+229，全長1380m，隧道最大埋深約214m，縱坡為－10．8%的單面下坡。隧道區(qū)大部分基巖裸露，局部地段有殘坡積土層分布。出露的地層從新至老有第四系(Q4);下元古界秦嶺群界牌組(Pt1j)云母石英片巖、石英片巖;下元古界雁嶺溝谷組(Pt1jy)大理巖地層。隧道區(qū)的不良地質(zhì)有風(fēng)化巖、巖溶發(fā)育帶、斷裂破碎帶，本隧道由于構(gòu)造較發(fā)育，故構(gòu)造裂隙水推斷較發(fā)育。

2工作方法及其原理

2．1地質(zhì)雷達(dá)法本次隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)采用了中國電波傳播研究所開發(fā)的LTD-2100地質(zhì)雷達(dá)，配置100MHz天線。地質(zhì)雷達(dá)法以電磁波傳播理論為基礎(chǔ)，以目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的介電性質(zhì)差異為前提，通過發(fā)射高頻電磁波(中心頻率為數(shù)十MHz到千MHz)，以寬帶短脈沖形式在掌子面上由發(fā)射天線T送入前方，遇到不同阻抗界面時(shí)反射回來，由接收天線R接收，電磁波信號(hào)在介質(zhì)中傳播，遇到介電性質(zhì)不同的分界面就會(huì)產(chǎn)生反射、色散和衰減等現(xiàn)象，發(fā)射和接收天線在測線上按一定的間距同步移動(dòng)，獲得該測線的雷達(dá)探測圖像，根據(jù)反射信號(hào)的時(shí)間、相位、頻率、幅度及波形等特征來分析和推斷介質(zhì)性質(zhì)與界面位置。

2．2瞬變電磁法本隧道工程中利用瞬變電磁法的超前預(yù)報(bào)工作，是將不接地回線置于隧道掌子面上，向掌子面前方發(fā)射脈沖式一次電磁場，在該電磁場的激發(fā)下，掌子面前方的導(dǎo)電地質(zhì)體受感應(yīng)而產(chǎn)生渦旋電流，即二次電流。由于導(dǎo)電地質(zhì)體是非線性的，所以脈沖電流從峰值躍變到零，一次磁場立即消失，而二次電流則有一個(gè)瞬變過程，在該過程中即會(huì)產(chǎn)生二次磁場，二次磁場大致按指數(shù)規(guī)律遞減，形成瞬變磁場，通過觀測該瞬變磁場，即可發(fā)現(xiàn)掌子面前方的異常地質(zhì)體。2．3TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)本次隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作中，采用了TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TST即TunnelSeismicTomography的英文縮寫，以下簡稱TST系統(tǒng))。TST是隧道散射地震成像技術(shù)的簡稱，其觀測系統(tǒng)采用空間布置，接收與激發(fā)系統(tǒng)布置在隧道兩側(cè)圍巖中。地震波由小規(guī)模爆破或電火花產(chǎn)生，并由地震檢波器接收。TST可有效地判別和濾除側(cè)面和上下地層的地震回波，僅保留掌子面前方回波，避免現(xiàn)行超前預(yù)報(bào)方法中虛報(bào)、誤報(bào)率高的技術(shù)缺陷，并能同時(shí)獲得掌子面前方圍巖的準(zhǔn)確波速和地質(zhì)體的位置圖像。TST系統(tǒng)硬件主要由地震信號(hào)采集器、地震信號(hào)記錄器、檢波器及連接線纜、震源等幾部分組成。

3三種方法的綜合應(yīng)用

核桃園隧道工程在施工過程中分別采用了上述三種方法對掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行了探測。現(xiàn)以里程DK818+465～DK819+480段為例，先分別對三種方法所測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得到相應(yīng)的結(jié)果，再綜合三種結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)一對比分析，相互印證。

3．1地質(zhì)雷達(dá)法數(shù)據(jù)處理與分析地質(zhì)雷達(dá)法數(shù)據(jù)處理結(jié)果:在掌子面前方0m～2m(DK818+465～DK818+467)范圍內(nèi)反射波信號(hào)較雜亂，是由于掌子面開挖引起的雜亂反射。在掌子面前方2m～8m(DK818+467～DK818+473)范圍內(nèi)反射波同相軸不連續(xù)，局部振幅較強(qiáng)，電磁波頻率衰減快，推斷該范圍內(nèi)巖溶裂隙較發(fā)育，圍巖較破碎。在掌子面前方8m～15m(DK818+473～DK818+480)范圍內(nèi)反射波信號(hào)強(qiáng)烈，能量團(tuán)分布不均勻，振幅高而寬，推斷該范圍為巖溶較發(fā)育，并且富含巖溶水，施工時(shí)應(yīng)做好支護(hù)及防排水措施，防止掉塊及突水、突泥。

3．2瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理與分析瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理結(jié)果:共存在2個(gè)低阻異常區(qū)和2個(gè)高阻異常區(qū)，具體分析如下:低阻異常區(qū)位于掌子面前方8m～15m(DK818+473～DK818+480)和23m～30m(DK818+488～DK818+495)范圍內(nèi)，該區(qū)域視電阻率較低，推斷該范圍內(nèi)為富水溶洞。高阻異常區(qū)位于掌子面前方55m～60m(DK818+520～DK818+525)和70m～75m(DK818+535～DK818+540)范圍內(nèi)，該區(qū)域視電阻率較高，推斷該范圍內(nèi)裂隙帶較發(fā)育，圍巖巖體結(jié)構(gòu)完整性較差。當(dāng)隧道施工到上述里程時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施，再進(jìn)行施工，以確保施工安全。3．3TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理與分析TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理結(jié)果:在掌子面前方0m～20m(DK818+460～DK818+480)段圍巖波速為3780m/s，巖石強(qiáng)度低。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋很多，推測該段巖溶裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，且富含巖溶水，施工時(shí)應(yīng)注意巖體破碎導(dǎo)致的掉塊或塌方，并做好防水措施。在掌子面前方20m～50m(DK818+480～DK818+510)段圍巖波速由3780m/s升高到3980m/s，巖石強(qiáng)度升高。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋相對較少，推測該段節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖完整性較差。在掌子面前方50m～60m(DK818+510～DK818+520)段圍巖波速為3980m/s，巖石強(qiáng)度相對較高。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋較強(qiáng)，推測該段裂隙較發(fā)育，工程性質(zhì)較差。在掌子面前方60m～70m(DK818+520～DK818+530)段圍巖波速為3850m/s，巖石強(qiáng)度相對較低。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋很少，推測該段為無水溶洞。在掌子面前方70m～80m(DK818+530～DK818+540)段圍巖波速由3850m/s升高到4180m/s，巖石強(qiáng)度升高。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋較明顯，推測該段溶蝕裂隙較發(fā)育，圍巖較破碎。在掌子面前方80m～120m(DK818+540～DK818+580)段圍巖波速為4180m/s，巖石強(qiáng)度高。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋較少，推測該段節(jié)理裂隙較少發(fā)育，圍巖完整性較好。

3．4綜合分析通過對三種方法的探測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)在該隧道里程DK818+465～DK818+480段，三種方法的探測結(jié)果都出現(xiàn)了明顯的異常，推測該段可能存在溶洞或溶蝕裂隙，且為富水帶。經(jīng)后期施工開挖驗(yàn)證了這一結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4結(jié)語

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作是隧道工程施工過程中的重點(diǎn)工作之一，其預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性往往直接影響隧道施工進(jìn)度和工作人員的生命安全。由于物探結(jié)果具有多解性，單一的某種方法對隧道掌子面前方真實(shí)地質(zhì)情況的預(yù)測可靠性不高，而采用多種方法來進(jìn)行預(yù)報(bào)可相互彌補(bǔ)每種方法的不足之處，并且可以相互驗(yàn)證彼此的結(jié)論，從而提高地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。本隧道充分利用了地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)法三種方法的優(yōu)點(diǎn)，得到了較為可靠的地質(zhì)信息，大大降低了因盲目施工引起的隧道突水，突泥，危巖崩塌等工程事故發(fā)生的概率，提高了施工效率，保障了施工安全。由于不同隧道地質(zhì)情況的不同，所使用的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法也不盡相同，而采用綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)方法可提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與結(jié)果的可靠性，這是毫無疑問的，因此，對綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的研究是一個(gè)必然的趨勢，若能建立一套系統(tǒng)的綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)方法，對于地下工程建設(shè)將具有非凡意義。

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作者：戴世鑫1;譚小豐2;鐘威2;田理嘉2 單位：1．湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2．湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院