深埋長(zhǎng)大隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法淺析

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一、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作概況       （1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作概況     超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為TBM掘進(jìn)施工中隧洞地質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要組成部分，它包括隧洞圍巖描述、水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)、施工地質(zhì)測(cè)繪、圍巖變形監(jiān)測(cè)、圍巖類別判別、儀器現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)及相應(yīng)的地質(zhì)、測(cè)試資料分析和成果整理等工作，并及時(shí)提供超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果資料。     （2）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作實(shí)施特點(diǎn)     超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作主要是對(duì)圍巖及水文地質(zhì)條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)，及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)第一手地質(zhì)資料和儀器測(cè)試數(shù)據(jù)，是地質(zhì)預(yù)報(bào)工作成敗的關(guān)鍵，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)工作和儀器測(cè)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(bào)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(duì)隧洞的工程及水文地質(zhì)條件進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查，時(shí)時(shí)跟進(jìn)TBM施工，在TBM檢修維護(hù)的空隙時(shí)間里及時(shí)的進(jìn)行儀器測(cè)試，保證采集的資料、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)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(bào)工作項(xiàng)目和內(nèi)容

    超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作包括：隧洞圍巖描述、圍巖監(jiān)測(cè)、水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)、施工地質(zhì)測(cè)繪、圍巖類別判別等常規(guī)地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前地質(zhì)勘探、超前儀器現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)、不良地質(zhì)體長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以及相應(yīng)的地質(zhì)、測(cè)試資料分析和成果整理等工作。     （1）常規(guī)地質(zhì)預(yù)報(bào)是指：對(duì)已開挖洞段及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)編錄、測(cè)繪、取樣及試驗(yàn)，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(diǎn)的滲水量、水溫、PH值、導(dǎo)電性等條件，預(yù)報(bào)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(bào)是指：為防止TBM掘進(jìn)時(shí)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(cè)試等，對(duì)隧洞掌子面前方長(zhǎng)距離范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)。所采用的主要手段為：地面地質(zhì)預(yù)測(cè)、超前鉆孔、地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試、地震波超前測(cè)試等，然后將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，從而對(duì)不良地質(zhì)體可能被揭示的位置進(jìn)行預(yù)報(bào)。

三、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法和步驟淺析

    超前地質(zhì)預(yù)報(bào)依據(jù)預(yù)報(bào)距離可分為長(zhǎng)期（長(zhǎng)距離）和短期（短距離）兩種預(yù)報(bào)形式。

3．1 長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

    長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分為兩個(gè)部分：地面不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)勘察和隧洞內(nèi)長(zhǎng)距離儀器探測(cè)，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(bào)。長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分為兩步進(jìn)行，實(shí)施步驟見圖1。

 
 

圖1  長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的步驟框圖
    （1）地面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(shì)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(chǎng)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(cè)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(duì)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(bào)。     （2）隧洞內(nèi)儀器超前探測(cè)     隧洞內(nèi)儀器超前探測(cè)是在隧洞TBM掘進(jìn)中TBM的維護(hù)保養(yǎng)期間，使用探測(cè)儀器進(jìn)行探測(cè)，主要儀器有：TSP系列隧洞地震探測(cè)儀、淺層地震儀等。TSP系列隧洞地震探測(cè)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(shí)產(chǎn)生的反射波，其傳播速度、延遲時(shí)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(lái)；     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(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)計(jì)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(duì)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(bào)。     最大探測(cè)距離可達(dá)掌子面前方500m，有效探測(cè)距離150m，最高分辨率1m。

 
 

圖2  TSP系列隧洞地震探測(cè)儀超前探測(cè)原理示意圖

3．2 短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

    短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，預(yù)報(bào)距離為掌子面前方15～50m。對(duì)于短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，主要是通過TBM開挖石渣識(shí)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(cè)（見圖3）。前者是通過對(duì)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(duì)不良地質(zhì)體可能出露的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷，必要時(shí)輔助進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探；后者地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)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(shí)采集和數(shù)據(jù)組合分析，對(duì)不良地質(zhì)體的類型、規(guī)模、位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

 
 

圖3  短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的步驟框圖
    （1）一般性超前地質(zhì)預(yù)報(bào)     一般性超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(duì)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(cè)預(yù)報(bào)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(bào)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(cè)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(bào)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(duì)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(shí)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(shí)洞壁出現(xiàn)飛石。     （2）地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)預(yù)報(bào)     地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)預(yù)報(bào)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(shí)，將產(chǎn)生反射波和透射波，接收機(jī)利用分時(shí)采樣原理和數(shù)據(jù)組合方式，把天線接收的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，主機(jī)系統(tǒng)再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)或彩色線跡信號(hào)，并以時(shí)間剖面的形式顯示出來(lái)，供解譯人員分析預(yù)報(bào)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(jìn)行超前鉆孔探測(cè)     超前鉆孔探測(cè)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。     （4）短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的特點(diǎn)     ①由于短期預(yù)報(bào)是在長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以，預(yù)報(bào)的精度一般要超過長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，特別是對(duì)不良地質(zhì)體性質(zhì)的預(yù)報(bào)。     ②短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)針對(duì)性較強(qiáng)，一般不適合在隧洞全程進(jìn)行，結(jié)合長(zhǎng)期地質(zhì)預(yù)報(bào)適時(shí)進(jìn)行。

3．3 施工地質(zhì)災(zāi)害的警報(bào)

    施工地質(zhì)災(zāi)害警報(bào)是在短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的成果，對(duì)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(bào)，并將警報(bào)通知TBM掘進(jìn)操作手，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。     （1）施工地質(zhì)災(zāi)害警報(bào)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(shí)提交書面的預(yù)警報(bào)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(cè)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(yǔ)

    超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是深埋長(zhǎng)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(duì)不良地質(zhì)體的認(rèn)識(shí)和判別存在主觀偏差，再加上勘測(cè)、測(cè)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(bào)的準(zhǔn)確和及時(shí)。本文通過對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法和步驟淺顯分析，宏觀地對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作方法和實(shí)施步驟進(jìn)行了探討，旨在拋磚引玉。如若實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的操作平臺(tái)與TBM操作平臺(tái)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(bào)研究和發(fā)展的方向。