深埋長大隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報方法淺析(圖文)

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一、超前地質(zhì)預(yù)報工作概況

⑴超前地質(zhì)預(yù)報工作概況

超前地質(zhì)預(yù)報為TBM掘進(jìn)施工中隧洞地質(zhì)監(jiān)測的重要組成部分，它包括隧洞圍巖描述、水文地質(zhì)監(jiān)測、施工地質(zhì)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(zhì)體預(yù)報及相應(yīng)的地質(zhì)、測試資料分析和成果整理等工作，并及時提供超前地質(zhì)預(yù)報成果資料。

⑵超前地質(zhì)預(yù)報工作實施特點

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

二、超前地質(zhì)預(yù)報工作項目和內(nèi)容

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

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

⑵超前地質(zhì)預(yù)報是指：為防止TBM掘進(jìn)時遭遇未知的不良地質(zhì)體而進(jìn)行的超前地質(zhì)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(zhì)體進(jìn)行預(yù)報。所采用的主要手段為：地面地質(zhì)預(yù)測、超前鉆孔、地質(zhì)雷達(dá)測試、地震波超前測試等，然后將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，從而對不良地質(zhì)體可能被揭示的位置進(jìn)行預(yù)報。

三、超前地質(zhì)預(yù)報的方法和步驟淺析

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

3．1 長期超前地質(zhì)預(yù)報

長期超前地質(zhì)預(yù)報分為兩個部分：地面不良地質(zhì)體預(yù)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(shù)手段和技術(shù)進(jìn)行的綜合預(yù)報。長期超前地質(zhì)預(yù)報分為兩步進(jìn)行。 

⑴地面超前地質(zhì)預(yù)報工作方法

①首先收集、整理工程區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查進(jìn)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(zhì)災(zāi)害；

②仔細(xì)分析前期地質(zhì)資料，并進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核和勘察，在地表準(zhǔn)確鑒別不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、巖體質(zhì)量，精確調(diào)查和測量不良地質(zhì)體空間展布參數(shù)；

③應(yīng)用地面地質(zhì)界面和地質(zhì)體的延展規(guī)律及推算理論進(jìn)行室內(nèi)分析；

④依據(jù)前述的分析結(jié)果，對可能出現(xiàn)不良地質(zhì)體的性質(zhì)和位置進(jìn)行初步預(yù)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(jìn)中TBM的維護(hù)保養(yǎng)期間，使用探測儀器進(jìn)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(zhì)體時產(chǎn)生的反射波，其傳播速度、延遲時間、波形、強(qiáng)度和方向等均與相關(guān)地質(zhì)體的性質(zhì)密切相關(guān)，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(jìn)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(jī)數(shù)學(xué)計算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

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

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

最大探測距離可達(dá)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(zhì)預(yù)報

短期超前地質(zhì)預(yù)報是在長期超前地質(zhì)預(yù)報的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，預(yù)報距離為掌子面前方15～50m。對于短期超前地質(zhì)預(yù)報，主要是通過TBM開挖石渣識別、掌子面地質(zhì)素描，更重要的是采用地質(zhì)雷達(dá)或超前鉆孔進(jìn)行探測（見圖3）。前者是通過對不同地質(zhì)體標(biāo)志的確認(rèn)，以及不良地質(zhì)體出現(xiàn)前的前兆標(biāo)志，對不良地質(zhì)體可能出露的位置進(jìn)行預(yù)測和判斷，必要時輔助進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探；后者地質(zhì)雷達(dá)探測屬于電磁波物探技術(shù)，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(zhì)體的類型、規(guī)模、位置進(jìn)行預(yù)測。

⑴一般性超前地質(zhì)預(yù)報

一般性超前地質(zhì)預(yù)報是根據(jù)TBM掘進(jìn)的石渣（常規(guī)鉆爆法還包括掌子面）、洞壁揭露的結(jié)構(gòu)面及巖層與地表結(jié)構(gòu)面及巖層的對應(yīng)關(guān)系、以及揭露的不良地質(zhì)體的特征，通過類比、推測預(yù)報掌子面前方是否存在不良地質(zhì)體。

不良地質(zhì)體在被揭露之前往往表現(xiàn)出一些明顯或不明顯前兆標(biāo)志，這些標(biāo)志的出現(xiàn)，預(yù)示著隧洞即將臨近不良地質(zhì)體，它們是超前地質(zhì)預(yù)報的重要信息，因此，仔細(xì)觀察、描述開挖石渣、洞壁結(jié)構(gòu)面及巖層形態(tài)、量測結(jié)構(gòu)面及巖層特征參數(shù)，是正確進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報的關(guān)鍵。一些不良地質(zhì)體的前兆標(biāo)志：

①斷層破碎帶前兆標(biāo)志：節(jié)理裂隙組數(shù)及密度劇增、巖石強(qiáng)度降低、出現(xiàn)壓裂巖、碎裂巖、巖石風(fēng)化相對強(qiáng)烈、泥質(zhì)含量增加等。

②突水、突泥前兆標(biāo)志：節(jié)理裂隙滲水量和組數(shù)增加、且常常含有泥質(zhì)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(biāo)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(yán)重時洞壁出現(xiàn)飛石。

⑵地質(zhì)雷達(dá)探測預(yù)報

地質(zhì)雷達(dá)探測預(yù)報屬于電磁波物探技術(shù)，電磁波通過天線向掌子面前方發(fā)射，遇到不同阻抗介質(zhì)時，將產(chǎn)生反射波和透射波，接收機(jī)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(zhuǎn)化為數(shù)字信號，主機(jī)系統(tǒng)再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(yù)報不良地質(zhì)體位置、規(guī)模及可能出現(xiàn)的施工地質(zhì)災(zāi)害類型。

⑶進(jìn)行超前鉆孔探測

超前鉆孔探測是通過TBM攜帶的超前鉆機(jī)或?qū)ｉT的地質(zhì)鉆機(jī)的鉆探資料整理分析，包括：鉆進(jìn)速度、孔內(nèi)情況、涌水量、巖芯描述等，分析、判斷不良地質(zhì)體的位置。

⑷短期超前地質(zhì)預(yù)報的特點

①由于短期預(yù)報是在長期預(yù)報的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以，預(yù)報的精度一般要超過長期超前地質(zhì)預(yù)報，特別是對不良地質(zhì)體性質(zhì)的預(yù)報。

②短期超前地質(zhì)預(yù)報針對性較強(qiáng)，一般不適合在隧洞全程進(jìn)行，結(jié)合長期地質(zhì)預(yù)報適時進(jìn)行。

3．3 施工地質(zhì)災(zāi)害的警報

施工地質(zhì)災(zāi)害警報是在短期超前地質(zhì)預(yù)報基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是隧洞超前地質(zhì)預(yù)報的成果，對可能出現(xiàn)的施工地質(zhì)災(zāi)害的類型、規(guī)模、位置，進(jìn)行較為準(zhǔn)確的警報，并將警報通知TBM掘進(jìn)操作手，及時采取應(yīng)對措施。

⑴施工地質(zhì)災(zāi)害警報的方法和步驟

①通過TBM施工中出現(xiàn)的不良地質(zhì)體前兆標(biāo)志，作出正確的判斷；

②及時提交書面的預(yù)警報告，內(nèi)容包括不良地質(zhì)體的前兆特征、辨認(rèn)的標(biāo)志、精確定位、準(zhǔn)確定性、預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害類型及規(guī)模和造成的影響程度等。

⑵施工地質(zhì)災(zāi)害類型

施工地質(zhì)災(zāi)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(jié)構(gòu)體坍塌，片邦或巖爆，以及巖體蝕變、圍巖大變形等等。

四、結(jié)語

超前地質(zhì)預(yù)報是深埋長大隧洞TBM掘進(jìn)施工中，減少施工地質(zhì)災(zāi)害、順利進(jìn)行施工的關(guān)鍵，但由于對不良地質(zhì)體的認(rèn)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(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確和及時。本文通過對超前地質(zhì)預(yù)報的方法和步驟淺顯分析，宏觀地對超前地質(zhì)預(yù)報的工作方法和實施步驟進(jìn)行了探討，旨在拋磚引玉。如若實現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報的操作平臺與TBM操作平臺進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)，將是超前地質(zhì)預(yù)報研究和發(fā)展的方向。

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