隧道工程中超前地質預報的應用
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摘要:從超前地質預報的原則入手，介紹了超前地質預報的方法，如地質分析法、地質雷達法、彈性波反射法等，對比分析了幾個方法的優缺點，并結合崤山隧道項目進行分析，詳細研究了各類超前地質預報方法在其中的運用，以期為相關工程帶來借鑒。
1超前地質預報的原則
1)隧道超前地質預報關系到整個施工環境的安全，施工單位應將其看做隧道施工必要流程之一。2)施工單位在進行超前地質預報的時候應根據復雜程度劃分不同等級，找出核心內容，嚴格依照動態設計原則開展各項施工，了解施工環境中的地質情況，依照隧道區段地質復雜特征選取合適的預報方法、設定科學的標準。3)施工單位可通過地質調查和勘測結合、將物探和鉆探結合、遠距離和近距離結合、地下和地上結合等手段，對所得結果進行全面分析，避免出現失誤，盡可能提升精準度［1］。4)若是施工隧道包含正洞超前導坑、平行導坑等內容或兩個隧道之間距離較近，此時施工人員可充分借助這些導坑開展各項超前地質預報工作。
2超前地質預報方法
1)地質分析法。主要作用有:①基于露頭、地層研究該區域巖溶發育狀況;②研究地下水、地表水的關聯，分析其補排條件;③隧道設計應參照巖溶發育狀況的預判;④了解沉積物分布、巖溶水體的化學與動力特性等。2)地質雷達法。地質雷達法屬于地球物理勘測的方法之一，主要是借助干擾小的高頻窄脈沖電磁波來探查各類介質，并在電磁波反射下完成數據反演，找出異常。3)彈性波反射法(TSP)。TSP探測是超前地質預報中地震波法的一種，該方法從數據采集、處理等方面都具有一定的優勢。其工作原理是根據地震波在不均勻介質中產生的反射特性，來預報隧道掌子面前方及周圍鄰近區域的地質情況，包括巖體結構、性質、狀態以及地下水和瓦斯等賦存情況，為進一步施工提供指導，避免施工及運營過程中發生涌水、巖爆、大變形等地質災害，保證施工的安全和順利進行。在崤山隧道項目中就運用到了TSP探測法。4)超前水平鉆法。相較于其他預報方法，超前水平鉆法更加直接真實，施工人員可從掌子面取芯，通過對巖芯巖性的分析研究了解周邊環境地質狀況。但是，使用這種方法往往需消耗大量時間成本，占用施工時間長且探測范圍較小。
3主要預報方法的特點
項目單位要區分不同方法的特征與適用范圍，構建相應的密集巖溶區綜合預報體系，將整個預報過程分成短期預報、宏觀預報、中長距離預報以及特殊方法預報等不同階段［2］。施工人員可借助對地質狀況的有效預報，使用專業的方法進行處理，從而幫助隧道安全穿越巖溶區段(見表1)。
4工程實例
崤山隧道在河南省界內，進口、出口分別設在靈寶市寺河鄉細嶺口與盧氏縣官道口鎮車家嶺周邊，右側臨近G209國道。隧道包含兩個單洞，左右兩線分別長22751m與22771m。該隧道屬于整條線路中長度最長的隧道線路，周圍海拔高約600～1400m，海拔最長值可達1470m。此外，該隧道整個地質構造、水文環境復雜，需嚴格進行勘測。
4．1地質雷達
崤山隧道工程中，選用了俄羅斯OKO－2和重慶TETSP兩種地質雷達對項目進行超前地質預報。而根據實際情況來看，項目存在不同地段的地質條件差異化的特征，其中DK701+730～DK701+754段落中巖層呈現節理裂隙發育，結構大多不完整，穩定性能不佳。DK701+754～DK701+796段落同樣存在巖層節理裂隙發育現象，局部地區存在裂隙水，穩定性能不佳。建議措施:項目單位施工過程中要重視支護工作的開展，特別是拱頂位置需要做好支護，以避免出現掉塊、局部坍塌等問題的發生。同時，施工單位還要對其進行超前水平鉆孔探測，做好排水工作。DK701+716～DK701+796段的圍巖等級為四級。
4．2TSP法
表2為崤山隧道工程使用TSP法的具體里程。
4．3超前水平鉆
為了解隧道DK701+716路段的地質狀況，保障施工的安全開展，項目單位超前地質預報小組于2017年6月下旬開展了超前探測工作，項目共包含兩個探鉆孔，施工操作均在掌子面臺中進行，同時，施工所選用的鉆機型號應為ZH430C，鉆孔深度為45m，從水平方向鉆進。圖1為孔位布置。通過鉆孔發現地質狀況如下。鉆孔DKZK－1:42m深內，圍巖結構不完整，部分區域破碎嚴重，此部位鉆速較高，并未出現卡鉆現象;當鉆入42～45m時，圍巖結構開始變得完整堅硬，鉆速均勻緩慢，同樣未出現卡鉆問題。鉆孔DKZK－2:7m深內，圍巖結構不完整、巖質較軟，部分區域破碎嚴重，此階段鉆速高、并未出現卡鉆問題;當鉆至7～27m之間時，圍巖存在裂隙，部分區域存在破碎，該部位進鉆勻速，未出現卡鉆問題，無水;而當鉆至27～45m時，圍巖結構完整、穩定性能較好，未出現卡鉆問題，無水。施工人員經過超前鉆孔探測發現前方45m地質狀況如下所示:在DK701+716～DK701+761地段中，母巖是安山巖，顏色為灰綠色，整體呈現弱風化，其中部分為強風化，巖層結構存在裂隙，整體破碎，部分破碎嚴重，穩定性能不佳，且存在部分裂隙水。因此，在施工的過程中項目單位人員應注重超前支護工作的開展，嚴格進行工序管理，及時封閉與監控量測，避免產生安全事故。為了解隧道DK701+751路段的地質狀況，保障施工的安全開展，項目單位超前地質預報小組于2017年7月中旬開展了超前探測工作，探鉆共計包含兩個探鉆孔，施工操作均在掌子面臺中進行。施工所選用的鉆機同樣是型號為ZH430C的鉆機，鉆孔深度為45m，從水平方向鉆進。圖2為孔位布置。通過鉆孔發現地質狀況如下。1)鉆孔DKZK－1:當對DK701+751～DK701+778位置鉆孔時，進鉆速度控制在9～10min/3m，整體結構不完整，部分破碎嚴重，鉆進過程中未發生卡鉆問題;而當對DK701+778～DK701+787位置鉆孔時，進鉆速度控制在5～8min/3m，整體結構不完整，巖層較軟，鉆進過程中未發生卡鉆問題，無水;當對DK701+787～DK701+796進行鉆孔時，速度達到8min/3m，此時出現了少量滲水。2)鉆孔DKZK－2:當對DK701+751～DK701+757位置鉆孔時，進鉆速度控制在8～10min/3m，整體結構不完整，部分破碎嚴重，鉆速較高，鉆進過程中未發生卡鉆問題;當對DK701+757～DK701+778位置鉆孔時，進鉆速度控制在7～8min/3m，整體結構不完整，勻速進鉆，未發生卡鉆問題，無水;當對DK701+778～DK701+796進行鉆孔時，速度達到8min/3m，整體結構破碎，部分破碎嚴重，未出現卡鉆問題，無水。施工人員經過超前鉆孔探測發現前方45m地質狀況如下所示:在DK701+751～DK701+796地段中，母巖是安山巖，顏色為灰綠色或灰黑色，整體呈現弱風化，其中部分為強風化，巖層結構存在裂隙，整體破碎，部分破碎嚴重，穩定性能不佳，且存在部分裂隙水。
5結束語
隧道項目風險極高，假設預測存在失誤，將極有可能對整個安全施工造成影響，拖延整體工期。本文將崤山隧道項目當成具體研究對象進行分析，研究了不同預報方法所適用的對象、適宜使用具體以及設備在施工過程中易受的各項影響因素，望為類似項目所參考。
參考文獻:
［1］楊小平．隧道超前地質預報方法研究［J］．工程機械與維修，2020，27(3):158－160．
［2］夏方華，郭有剛，劉明，等．超前地質預報技術在杭臨城際隧道勘察中的應用［J］．工程技術研究，2019，42(24):104－105．
作者：劉康 單位：湖北中冶建設工程檢測有限公司
