隧洞施工超前預報現(xiàn)狀概述

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簡介： 較為全面地論述了隧洞施工超前預報工作的重要性及其超前預報的目的、內容和初步分類等，并就當前國內外常用超前預報方法和技術的實用性及其優(yōu)缺點進行了有益的探討，這將有助于隧洞施工超前預報技術方法在我國隧洞工程中實際應用總結和綜合預測預報精度提高，進而滿足工程建設之需。
關鍵字：隧洞，施工地質，超前預報，物探技術，綜合分析

前言

　　隧洞建設中對工程地質條件的認知和掌握程度是確?？焖佟踩藿ǖ臎Q定性因素之一。盡管施工前進行了大量的地質勘察工作，但由于當前勘察技術手段和方法技術的限制，加上地質體的復雜多變，期望在施工前完全查明工程巖體的狀態(tài)、特性，準確地預測隧洞施工中可能發(fā)生地質災害的位置、性質和規(guī)模是十分困難的。因此，世界各國隧洞工程界都十分重視超前預報工作。

　　隧洞開挖中引發(fā)災難的因素是多種多樣的(如地下水、有毒或易燃氣體、高地溫、巖爆等)，而由于人們對地質特性認識不足、施工方法不當也可引起災害(如塌方冒頂?shù)?。人們對地層物理、化學性能的了解和巖體本身結構狀態(tài)的認識，需通過多種勘探試驗手段，才能獲得定性和定量分析的依據(jù)。

　　地下工程超前預報與監(jiān)測預報不同，超前預報主要是加強施工期間的地質工作，是在開挖之前，除根據(jù)開挖時揭露出來的實際地質情況，校正補充地勘時未能查到的資料外，還要根據(jù)這些成果資料，分析推斷掌子面前方的地質情況，是否存在前期勘察時沒有查到的不良地質體，以便預先采取措施；而監(jiān)測預報是在開挖以后，預報因圍巖變形而產(chǎn)生的各種破壞。

　　盡管隧洞施工超前預報已引起國內外隧洞工程界的重視，也做了許多卓有成效的工作，但到目前為止還沒有一套系統(tǒng)的普遍適用的方法，國內外隧洞工程的重大地質災害仍時有發(fā)生。因此，準確預報開挖前方的地質條件是隧洞建設者們的迫切要求，二十世紀八十年代以來世界各國都把這類問題列為重點研究課題。但是隧洞施工超前預報又是一項復雜而艱難的任務，尚需在工程實踐中不斷創(chuàng)新、優(yōu)化、總結、完善和提高，要真正搞好隧洞施工超前預報任重道遠。

1 超前預報目的

　　開挖前對地質情況的了解，對于隧洞建設有著十分重要的作用。通過超前預報，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預報掌子面前方不良地質體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結構的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖斷面、支護設計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災害性事故及時提供信息，使工程單位提前做好施工準備，保證施工安全，同時還可節(jié)約大量資金。所以隧洞超前預報對于安全科學施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 超前預報內容

　　隧洞施工超前預報的內容一般包括：

　?、俨涣嫉刭|預報及災害地質預報：預報掌子面前方一定范圍內有無突水、突泥、巖爆及有害氣體等，并查明其范圍、規(guī)模、性質，提出施工措施或建議；

　?、谒牡刭|預報：預報洞內突涌水量的大小及其變化規(guī)律，并評價其對環(huán)境地質、水文地質的影響；

　　③斷層及其破碎帶的預報：預報斷層的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質、充填物的狀態(tài)，是否為充水斷層，并判斷其穩(wěn)定程度，提出施工對策；

　　④圍巖類別及其穩(wěn)定性預報：預報掌子面前方的圍巖類別與設計是否吻合，并判斷其穩(wěn)定性，隨時提供修改設計、調整支護類型、確定二次襯砌時間的建議等；

　?、蓊A測隧洞內有害氣體含量、成分及動態(tài)變化；

3 隧洞施工超前預報分類

　　如何對隧洞施工超前預報合理分類，目前國內外尚未見到系統(tǒng)的分類標準。但超前預報分類的必要性是顯而易見的：

　?、僬_的分類是制定有關規(guī)程、細則或指南所需要的；

　?、谡_的分類有利于把超前預報納入施工計劃和管理的全過程；

　?、壅_的分類有利于指導科研立題及其管理。

　　根據(jù)隧洞施工超前預報的內容和目的以及實際預報中的作用，結合我國隧洞施工超前預報的客觀實際，以下簡要介紹隧洞施工超前預報分類的初步設想。

　　3.1 按預報的作用劃分

　?、?常規(guī)預報：是勘測設計階段地質工作的繼續(xù)，也是隧洞施工的一個作業(yè)過程。其目的是結合施工進程，收集地質資料，判斷圍巖類別，了解掌子面前方短距離內的工程地質條件，為正確選擇斷面大小、襯砌類型、施工方法和支護設計或修改施工設計等提供依據(jù)，其成果可作為隧洞竣工后維修養(yǎng)護參考。該預報是短距離預報的主要任務，目前已有比較成熟的經(jīng)驗。多以地質素描為主，配合簡單的物探測試了解掌子面前方地質條件。常規(guī)預報應以施工單位為主，作定量預報、并結合施工進行，預報時盡量不占或少占施工作業(yè)時間。

　?、?成災預報：隧洞施工中的地質災害，是指隧洞施工過程中因前方地質條件的突然變化，導致施工失去控制的非常事件。該事件可引起人員傷亡、機械設備失效并嚴重破壞、甚至被迫長時間停工，致使工程部門蒙受重大的經(jīng)濟損失。隧洞地質災害主要有大規(guī)模塌方、涌水、涌泥、涌石、巖爆、瓦斯等。成災預報是對可能的災害性地質條件進行預報，以指導隧洞施工中的防災和減災工作。該預報是中、長距離預報的主要任務，是為隧洞施工戰(zhàn)略決策服務的。對可能成災的地質條件，應從設計和施工方法上考慮特殊對策，否則可按常規(guī)預報進行。成災預報應由設計、科研、施工單位組成專家小組，采用地質、物探綜合分析法進行定性和定量預報，并視工作需要占用部分施工作業(yè)時間。

　?、?專門預報：對特殊地質問題進行預報，如膨脹巖、侵蝕性地下水、高地溫、巖溶等。這些特殊地質條件，常常使施工陷入困境或破壞隧洞襯砌，如果處理不及時或處理失當，甚至可能釀成大的地質災害?？梢姡瑢ｉT預報也是隧洞施工預報的重要內容之一。該預報應由設計、科研和施工部門組成專門小組，采用綜合手段作定性和定量預報。

　　3.2 按距掌子面的距離劃分

　　隧洞施工超前預報距離與隧洞施工速度和工程實際需要密切相關。結合我國隧洞開挖技術水平和快速施工要求，按掌子面前方距離可分為三類：

　?、?短距離預報：0～15m。就我國目前快速施工的水平，一般采用鉆爆與TBM相結合的方法。一個循環(huán)進尺約2～3m，二個循環(huán)是4～6m，三個循環(huán)是6～9m。實踐表明，預報三個循環(huán)的前方地質條件，即能滿足安全施工要求。根據(jù)我國目前的探測技術，要預報掌子面前方15m范圍內的地質條件并不困難，且測試基本可與施工同步進行。對成災預報而言，短距離預報相當于臨災預報或防災處理階段。

　　⑵ 中距離預報：15～50m。對于防災預報來說，只有15m范圍內的臨災預報是不夠的。發(fā)現(xiàn)有可能成災的地質條件，馬上要準備處理，顯然太緊張。比較理想至少應有30m的距離。因此，進行范圍超過15m的中距離預報是隧洞施工所必須的。另外，從目前已有的預報實踐來看，用物探方法在開挖面上進行20～40m的超前探測已十分有效。說明物探方法在中、長距離預報中是有潛力的。

　?、?長距離預報：50m以上為長距離預報。

　　3.3 按采用的手段劃分

　?、?經(jīng)驗預報：在以往工程經(jīng)驗的基礎上，憑感覺就能進行的預報。它對臨災預報有特殊意義，如鑿孔過程中發(fā)現(xiàn)有巖粉異常噴出，可能遇到了瓦斯或有害氣體；聽到巖石劈裂聲且隨后出現(xiàn)巖塊彈射現(xiàn)象可能是巖爆；鑿孔異常噴水可能是大量涌水的先兆；隧洞塌方也有先兆等等。直接預報法或地質分析法的預報效果與從事預報人員的經(jīng)驗豐富程度密切相關。

　　⑵ 采用儀器預報：預報目的不同，方法各異，所用儀器也是多種多樣的。如地質分析法只需羅盤、地質錘、放大鏡、稀鹽酸和皮尺等；水平鉆孔法需用大型水平鉆機；物探方法需各種物探儀器等。

　　⑶ 綜合預報：地質體是復雜的綜合體。企圖用單一方法查明隧洞的全部地質條件是不可能的，因此應采用綜合預報方法。根據(jù)地質條件的差異和不同精度要求，適時選用若干種方法相互補充和印證，才能獲得良好效果。

　　3.4 按精度劃分

　?、?定量預報：“定量”是對前方地質體具體位置、規(guī)模、設計參數(shù)變化等給出量的概念；對災害性地質條件，除明確災害性質外，還應明確可能成災的位置、規(guī)模和影響范圍等。當然對量的精度要求也是相對的，如短距離預報精度要求最高；中距離預報精度要求次之；長距離預報則以定性為主，強調戰(zhàn)略上的指導作用。

　　⑵ 定性預報：定性是對定量而言。定性一定要準，具體位置的精度可不作嚴格規(guī)定。

4 超前預報方法

　　4.1 直接預報法

　　4.1.1 水平鉆孔

　　在隧洞內安放水平鉆機進行水平鉆進，根據(jù)鉆孔資料來推斷隧洞前方的地質情況。鉆孔數(shù)量、角度及鉆孔深度可人為設計和控制。由鉆進速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液顏色、氣味、巖粉及遇到的其它情況來預報。此法可以反映巖體的大概情況，比較直觀，施工人員可根據(jù)實際地質情況進行下步施工組織。

　　水平鉆孔主要布置在開挖面及其附近，既可在超前導洞內布置鉆孔，也可在主洞工作面上進行鉆探，用以獲得準確可靠的地質資料，確保施工組織。該法可獲得工作面前方一定距離的巖芯，也可由鉆孔出水情況判斷前方有無地下水和前方何處有地下水，從而可以得到開挖面前方的地質情況。該法是施工預報最有效方法之一，但也存在不足之處：①對垂直隧洞軸線的地質結構面預報效果較好，與隧洞軸線平行的結構面預報較差；②需占用較長的施工作業(yè)時間，費用較高。

　　4.1.2 超前導坑

　　按導坑與正洞的相互位置分為平行導坑和正洞導坑。其中，平行導坑與正洞平行，斷面小且和正洞之間有一定距離，通過對導坑開挖中遇到的構造、結構面或地下水等情況作地質記錄與分析，進而對正洞地質條件進行預報。該法的優(yōu)點是：預報成果比較直觀、精度高、預報的距離長、便于施工人員安排施工計劃和調整施工方案，還可以起到減壓放水、改善通風條件和探明地質構造條件的作用，同時，還可用作排除地下水、斷層注漿處理、擴建成第二條隧洞之用。正洞導坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用與平行導坑相比，效果更好。超前導坑的缺陷為：一是成本太高，有時需要全洞進行平導開挖；二是施工工期較長。

　　4.2 地質分析法

　　4.2.1 斷層參數(shù)預測法

　　利用斷層影響帶的特殊節(jié)理或集中帶的分布規(guī)律，通過對斷層影響帶的系統(tǒng)編錄所得經(jīng)驗公式，來預報隧洞斷層破碎帶的位置和規(guī)模。由于大多數(shù)不良地質現(xiàn)象與斷層破碎帶有密切的關系，故依據(jù)斷層破碎帶推斷其它不良地質體的位置和規(guī)模。

　　4.2.2 地質體投射法

　　在地表準確鑒別不良地質體的性質、位置、規(guī)模和巖體質量及精確測定不良地質體產(chǎn)狀的基礎上，應用地質界面和地質體透射公式進行預報。

　　4.2.3 正洞地質編錄與預報

　　隧洞施工中，及時對其開挖面(掌子面、邊墻面和拱頂面)上的各種地質現(xiàn)象進行測繪和記錄，利用已挖洞段地質情況來預報前方可能出現(xiàn)的不良地質現(xiàn)象。它分為①巖層巖性和層位預測法：在開挖面揭露巖層與地表某段巖層為同層和確認標志層的前提下，用地表巖層的層序預測掌子面前方將要出現(xiàn)的巖層；②地質體延伸預測法：在長期預報得出不良地質體厚度的基礎上，依據(jù)開挖面不良地質體的產(chǎn)狀和單壁始見位置，經(jīng)過一系列的三角函數(shù)運算，求得條帶狀不良地質體在隧洞掌子面前方消失的距離。

　　該法是對開挖面地質情況如實而準確的反映。其主要內容包括地層巖性、構造和節(jié)理裂隙發(fā)育情況、地下水狀態(tài)、圍巖穩(wěn)定性及初期支護采用方法等。其優(yōu)點是占用施工時間很短，設備簡單，不干擾施工，成果快速，預報效果較好，而且為整個隧洞提供了完整的地質資料；缺點是與隧洞夾角較大而又向前傾的結構面容易產(chǎn)生漏報。

　　4.3 物探法

　　4.3.1 彈性波法

　　4.3.1.1 TSP超前預報技術

　　TSP(Tunnel Seismic Prediction)超前預報系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質體中產(chǎn)生的反射波特性來預報隧洞掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質情況。該法屬多波多分量探測技術，可以檢測出掌子面前方巖性的變化，如不規(guī)則體、不連續(xù)面、斷層和破碎帶等。它可以在鉆爆法或TBM開挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。數(shù)據(jù)采集時在隧洞一邊側墻等間隔鉆制20余個炮孔，而在兩側壁鉆取2個檢波器孔，使檢波器置入套管中，依次激發(fā)各炮，從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射的信號及直達波信號將被2個三分量檢波器接收，該過程所需時間約1小時。然后利用TSPwin軟件處理可得P波和S波波場分布規(guī)律，其分析過程為：數(shù)據(jù)調整→帶通濾波→首波拾取→拾取處理→炮能量平衡→直達波損耗系數(shù)Q估算→反射波提取→P波、S波分離→速度分析→縱向深度位置搜索→反射界面提取等，最終顯示掌子面前方與隧道軸線相交的反射同相軸及其地質解譯的二維或三維成果圖。由相應密度值，可算出預報區(qū)內巖體物理力學參數(shù)，進而可劃分該區(qū)圍巖工程類別。實踐表明該法有效預報距離100～200m。