深埋長大隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報方法淺析

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一、超前地質(zhì)預(yù)報工作概況       （1）超前地質(zhì)預(yù)報工作概況     超前地質(zhì)預(yù)報為TBM掘進施工中隧洞地質(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。     （2）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)條件進行監(jiān)測、對不良地質(zhì)體進行預(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掘進施工相互干擾、又相輔相成。因此，進行超前地質(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)條件進行認真的調(diào)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(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。     （1）常規(guī)地質(zhì)預(yù)報是指：對已開挖洞段及時進行地質(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。     （2）超前地質(zhì)預(yù)報是指：為防止TBM掘進時遭遇未知的不良地質(zhì)體而進行的超前地質(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(zhì)體可能被揭示的位置進行預(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)進行的綜合預(yù)報。長期超前地質(zhì)預(yù)報分為兩步進行，實施步驟見圖1。

 
 

圖1  長期超前地質(zhì)預(yù)報的步驟框圖
    （1）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仔細分析前期地質(zhì)資料，并進行現(xiàn)場復(fù)核和勘察，在地表準確鑒別不良地質(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)和位置進行初步預(yù)報。     （2）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(zhì)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(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(xué)計算進行數(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進行室內(nèi)數(shù)據(jù)資料處理、分析，由工程技術(shù)人員進行解譯，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)雷達或超前鉆孔進行探測（見圖3）。前者是通過對不同地質(zhì)體標志的確認，以及不良地質(zhì)體出現(xiàn)前的前兆標志，對不良地質(zhì)體可能出露的位置進行預(yù)測和判斷，必要時輔助進行超前地質(zhì)鉆探；后者地質(zhì)雷達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、位置進行預(yù)測。

 
 

圖3  短期超前地質(zhì)預(yù)報的步驟框圖
    （1）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志，這些標志的出現(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(fēng)化相對強烈、泥質(zhì)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(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。     （2）地質(zhì)雷達探測預(yù)報     地質(zhì)雷達探測預(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。     （3）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?qū)ｉT的地質(zhì)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(zhì)體的位置。     （4）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，一般不適合在隧洞全程進行，結(jié)合長期地質(zhì)預(yù)報適時進行。

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(yīng)對措施。     （1）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、辨認的標志、精確定位、準確定性、預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害類型及規(guī)模和造成的影響程度等。     （2）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掘進施工中，減少施工地質(zhì)災(zāi)害、順利進行施工的關(guān)鍵，但由于對不良地質(zhì)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(zhì)預(yù)報的準確和及時。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操作平臺進行有機的結(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。