深埋長大隧洞TBM施工超前地質預報方法淺析(圖文)

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一、超前地質預報工作概況

⑴超前地質預報工作概況

超前地質預報為TBM掘進施工中隧洞地質監(jiān)測的重要組成部分，它包括隧洞圍巖描述、水文地質監(jiān)測、施工地質測繪、圍巖變形監(jiān)測、圍巖類別判別、儀器現(xiàn)場量測、不良地質體預報及相應的地質、測試資料分析和成果整理等工作，并及時提供超前地質預報成果資料。

⑵超前地質預報工作實施特點

超前地質預報工作主要是對圍巖及水文地質條件進行監(jiān)測、對不良地質體進行預報，及時獲取現(xiàn)場第一手地質資料和儀器測試數(shù)據(jù)，是地質預報工作成敗的關鍵，同時現(xiàn)場地質工作和儀器測試與隧洞TBM掘進施工相互干擾、又相輔相成。因此，進行超前地質預報的地質工程師要在充分了解前期地質工作的基礎上，對隧洞的工程及水文地質條件進行認真的調查，時時跟進TBM施工，在TBM檢修維護的空隙時間里及時的進行儀器測試，保證采集的資料、數(shù)據(jù)準確無誤，并盡快提供分析成果，為圍巖支護和不良地質體的超前處理提供依據(jù)。

二、超前地質預報工作項目和內(nèi)容

超前地質預報工作包括：隧洞圍巖描述、圍巖監(jiān)測、水文地質監(jiān)測、施工地質測繪、圍巖類別判別等常規(guī)地質預報和超前地質勘探、超前儀器現(xiàn)場量測、不良地質體長距離預報等超前地質預報，以及相應的地質、測試資料分析和成果整理等工作。

⑴常規(guī)地質預報是指：對已開挖洞段及時進行地質編錄、測繪、取樣及試驗，依據(jù)已知圍巖的風化、裂隙發(fā)育狀況及開挖石渣的粒徑、形狀、質量狀況和較大滲水點的滲水量、水溫、PH值、導電性等條件，預報掌子面前方未開挖地段的地質情況、可能出現(xiàn)的不良地質體及圍巖類別。

⑵超前地質預報是指：為防止TBM掘進時遭遇未知的不良地質體而進行的超前地質勘察、超前勘探鉆孔、超前儀器測試等，對隧洞掌子面前方長距離范圍內(nèi)的不良地質體進行預報。所采用的主要手段為：地面地質預測、超前鉆孔、地質雷達測試、地震波超前測試等，然后將采集的數(shù)據(jù)進行整理，從而對不良地質體可能被揭示的位置進行預報。

三、超前地質預報的方法和步驟淺析

超前地質預報依據(jù)預報距離可分為長期（長距離）和短期（短距離）兩種預報形式。

3．1 長期超前地質預報

長期超前地質預報分為兩個部分：地面不良地質體預報勘察和隧洞內(nèi)長距離儀器探測，它是由兩種或兩種以上的勘查技術手段和技術進行的綜合預報。長期超前地質預報分為兩步進行。 

⑴地面超前地質預報工作方法

①首先收集、整理工程區(qū)區(qū)域地質資料，結合地質調查進行資料分析，研究區(qū)域斷裂發(fā)育規(guī)律，從而判斷工程區(qū)優(yōu)勢斷裂發(fā)育方向、規(guī)模及可能出現(xiàn)的地質災害；

②仔細分析前期地質資料，并進行現(xiàn)場復核和勘察，在地表準確鑒別不良地質體的性質、位置、巖體質量，精確調查和測量不良地質體空間展布參數(shù)；

③應用地面地質界面和地質體的延展規(guī)律及推算理論進行室內(nèi)分析；

④依據(jù)前述的分析結果，對可能出現(xiàn)不良地質體的性質和位置進行初步預報。

⑵隧洞內(nèi)儀器超前探測

隧洞內(nèi)儀器超前探測是在隧洞TBM掘進中TBM的維護保養(yǎng)期間，使用探測儀器進行探測，主要儀器有：TSP系列隧洞地震探測儀、淺層地震儀等。TSP系列隧洞地震探測儀工作原理（圖2）：

①首先在隧道內(nèi)人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源，震源發(fā)出的地震波逼到地層界面、特別是斷層破碎帶等不良地質體時產(chǎn)生的反射波，其傳播速度、延遲時間、波形、強度和方向等均與相關地質體的性質密切相關，并通過不同的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來；

②通過震源反射波的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（傳感器和記錄儀）進行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)輸入帶有處理軟件的電腦，并經(jīng)過計算機數(shù)學計算進行數(shù)據(jù)處理；

③將采集的數(shù)據(jù)資料轉換為反應相關地質體反射能量的影視圖像或隧道平面、剖面圖；

④進行室內(nèi)數(shù)據(jù)資料處理、分析，由工程技術人員進行解譯，對隧道掌子面前方不良地質體的性質、位置和規(guī)模等予以超前地質預報。

最大探測距離可達掌子面前方500m，有效探測距離150m，最高分辨率1m。

圖2  TSP系列隧洞地震探測儀超前探測原理示意圖

3．2 短期超前地質預報

短期超前地質預報是在長期超前地質預報的基礎上進行的，預報距離為掌子面前方15～50m。對于短期超前地質預報，主要是通過TBM開挖石渣識別、掌子面地質素描，更重要的是采用地質雷達或超前鉆孔進行探測（見圖3）。前者是通過對不同地質體標志的確認，以及不良地質體出現(xiàn)前的前兆標志，對不良地質體可能出露的位置進行預測和判斷，必要時輔助進行超前地質鉆探；后者地質雷達探測屬于電磁波物探技術，通過電磁波的反射波和透射波的分時采集和數(shù)據(jù)組合分析，對不良地質體的類型、規(guī)模、位置進行預測。

⑴一般性超前地質預報

一般性超前地質預報是根據(jù)TBM掘進的石渣（常規(guī)鉆爆法還包括掌子面）、洞壁揭露的結構面及巖層與地表結構面及巖層的對應關系、以及揭露的不良地質體的特征，通過類比、推測預報掌子面前方是否存在不良地質體。

不良地質體在被揭露之前往往表現(xiàn)出一些明顯或不明顯前兆標志，這些標志的出現(xiàn)，預示著隧洞即將臨近不良地質體，它們是超前地質預報的重要信息，因此，仔細觀察、描述開挖石渣、洞壁結構面及巖層形態(tài)、量測結構面及巖層特征參數(shù)，是正確進行超前地質預報的關鍵。一些不良地質體的前兆標志：

①斷層破碎帶前兆標志：節(jié)理裂隙組數(shù)及密度劇增、巖石強度降低、出現(xiàn)壓裂巖、碎裂巖、巖石風化相對強烈、泥質含量增加等。

②突水、突泥前兆標志：節(jié)理裂隙滲水量和組數(shù)增加、且常常含有泥質物或渾濁（常規(guī)鉆爆法的炮孔中的涌水量劇增、且夾有泥沙或碎石）等。

③巖爆前兆標志：“餅”狀開挖石渣的數(shù)量增加、洞壁在短時間內(nèi)出現(xiàn)“餅”狀脫落體或出現(xiàn)“片邦”現(xiàn)象，以及輕微的巖石崩裂聲等，嚴重時洞壁出現(xiàn)飛石。

⑵地質雷達探測預報

地質雷達探測預報屬于電磁波物探技術，電磁波通過天線向掌子面前方發(fā)射，遇到不同阻抗介質時，將產(chǎn)生反射波和透射波，接收機利用分時采樣原理和數(shù)據(jù)組合方式，把天線接收的信號轉化為數(shù)字信號，主機系統(tǒng)再將數(shù)字信號轉化為模擬信號或彩色線跡信號，并以時間剖面的形式顯示出來，供解譯人員分析預報不良地質體位置、規(guī)模及可能出現(xiàn)的施工地質災害類型。

⑶進行超前鉆孔探測

超前鉆孔探測是通過TBM攜帶的超前鉆機或專門的地質鉆機的鉆探資料整理分析，包括：鉆進速度、孔內(nèi)情況、涌水量、巖芯描述等，分析、判斷不良地質體的位置。

⑷短期超前地質預報的特點

①由于短期預報是在長期預報的基礎上進行的，所以，預報的精度一般要超過長期超前地質預報，特別是對不良地質體性質的預報。

②短期超前地質預報針對性較強，一般不適合在隧洞全程進行，結合長期地質預報適時進行。

3．3 施工地質災害的警報

施工地質災害警報是在短期超前地質預報基礎上進行的，是隧洞超前地質預報的成果，對可能出現(xiàn)的施工地質災害的類型、規(guī)模、位置，進行較為準確的警報，并將警報通知TBM掘進操作手，及時采取應對措施。

⑴施工地質災害警報的方法和步驟

①通過TBM施工中出現(xiàn)的不良地質體前兆標志，作出正確的判斷；

②及時提交書面的預警報告，內(nèi)容包括不良地質體的前兆特征、辨認的標志、精確定位、準確定性、預測地質災害類型及規(guī)模和造成的影響程度等。

⑵施工地質災害類型

施工地質災害主要類型有：斷層及破碎帶塌方、涌水或突水、突泥，圍巖不穩(wěn)定結構體坍塌，片邦或巖爆，以及巖體蝕變、圍巖大變形等等。

四、結語

超前地質預報是深埋長大隧洞TBM掘進施工中，減少施工地質災害、順利進行施工的關鍵，但由于對不良地質體的認識和判別存在主觀偏差，再加上勘測、測試手段的局限性和人為解譯的差異性，因此，難以保證超前地質預報的準確和及時。本文通過對超前地質預報的方法和步驟淺顯分析，宏觀地對超前地質預報的工作方法和實施步驟進行了探討，旨在拋磚引玉。如若實現(xiàn)超前地質預報的操作平臺與TBM操作平臺進行有機的結合，并記錄相關的數(shù)據(jù)，將是超前地質預報研究和發(fā)展的方向。

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