隧洞施工超前預(yù)報(bào)現(xiàn)狀概述

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簡(jiǎn)介： 較為全面地論述了隧洞施工超前預(yù)報(bào)工作的重要性及其超前預(yù)報(bào)的目的、內(nèi)容和初步分類等，并就當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常用超前預(yù)報(bào)方法和技術(shù)的實(shí)用性及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了有益的探討，這將有助于隧洞施工超前預(yù)報(bào)技術(shù)方法在我國(guó)隧洞工程中實(shí)際應(yīng)用總結(jié)和綜合預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)精度提高，進(jìn)而滿足工程建設(shè)之需。
關(guān)鍵字：隧洞，施工地質(zhì)，超前預(yù)報(bào)，物探技術(shù)，綜合分析

前言

　　隧洞建設(shè)中對(duì)工程地質(zhì)條件的認(rèn)知和掌握程度是確?？焖?、安全修建的決定性因素之一。盡管施工前進(jìn)行了大量的地質(zhì)勘察工作，但由于當(dāng)前勘察技術(shù)手段和方法技術(shù)的限制，加上地質(zhì)體的復(fù)雜多變，期望在施工前完全查明工程巖體的狀態(tài)、特性，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧洞施工中可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置、性質(zhì)和規(guī)模是十分困難的。因此，世界各國(guó)隧洞工程界都十分重視超前預(yù)報(bào)工作。

　　隧洞開(kāi)挖中引發(fā)災(zāi)難的因素是多種多樣的(如地下水、有毒或易燃?xì)怏w、高地溫、巖爆等)，而由于人們對(duì)地質(zhì)特性認(rèn)識(shí)不足、施工方法不當(dāng)也可引起災(zāi)害(如塌方冒頂?shù)?。人們對(duì)地層物理、化學(xué)性能的了解和巖體本身結(jié)構(gòu)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，需通過(guò)多種勘探試驗(yàn)手段，才能獲得定性和定量分析的依據(jù)。

　　地下工程超前預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)不同，超前預(yù)報(bào)主要是加強(qiáng)施工期間的地質(zhì)工作，是在開(kāi)挖之前，除根據(jù)開(kāi)挖時(shí)揭露出來(lái)的實(shí)際地質(zhì)情況，校正補(bǔ)充地勘時(shí)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(zhì)情況，是否存在前期勘察時(shí)沒(méi)有查到的不良地質(zhì)體，以便預(yù)先采取措施；而監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)是在開(kāi)挖以后，預(yù)報(bào)因圍巖變形而產(chǎn)生的各種破壞。

　　盡管隧洞施工超前預(yù)報(bào)已引起國(guó)內(nèi)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(méi)有一套系統(tǒng)的普遍適用的方法，國(guó)內(nèi)外隧洞工程的重大地質(zhì)災(zāi)害仍時(shí)有發(fā)生。因此，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)開(kāi)挖前方的地質(zhì)條件是隧洞建設(shè)者們的迫切要求，二十世紀(jì)八十年代以來(lái)世界各國(guó)都把這類問(wèn)題列為重點(diǎn)研究課題。但是隧洞施工超前預(yù)報(bào)又是一項(xiàng)復(fù)雜而艱難的任務(wù)，尚需在工程實(shí)踐中不斷創(chuàng)新、優(yōu)化、總結(jié)、完善和提高，要真正搞好隧洞施工超前預(yù)報(bào)任重道遠(yuǎn)。

1 超前預(yù)報(bào)目的

　　開(kāi)挖前對(duì)地質(zhì)情況的了解，對(duì)于隧洞建設(shè)有著十分重要的作用。通過(guò)超前預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為正確選擇開(kāi)挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，使工程單位提前做好施工準(zhǔn)備，保證施工安全，同時(shí)還可節(jié)約大量資金。所以隧洞超前預(yù)報(bào)對(duì)于安全科學(xué)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 超前預(yù)報(bào)內(nèi)容

　　隧洞施工超前預(yù)報(bào)的內(nèi)容一般包括：

　?、俨涣嫉刭|(zhì)預(yù)報(bào)及災(zāi)害地質(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)掌子面前方一定范圍內(nèi)有無(wú)突水、突泥、巖爆及有害氣體等，并查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì)，提出施工措施或建議；

　　②水文地質(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)洞內(nèi)突涌水量的大小及其變化規(guī)律，并評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響；

　?、蹟鄬蛹捌淦扑閹У念A(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)斷層的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)、充填物的狀態(tài)，是否為充水?dāng)鄬?，并判斷其穩(wěn)定程度，提出施工對(duì)策；

　?、車鷰r類別及其穩(wěn)定性預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)掌子面前方的圍巖類別與設(shè)計(jì)是否吻合，并判斷其穩(wěn)定性，隨時(shí)提供修改設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)類型、確定二次襯砌時(shí)間的建議等；

　　⑤預(yù)測(cè)隧洞內(nèi)有害氣體含量、成分及動(dòng)態(tài)變化；

3 隧洞施工超前預(yù)報(bào)分類

　　如何對(duì)隧洞施工超前預(yù)報(bào)合理分類，目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到系統(tǒng)的分類標(biāo)準(zhǔn)。但超前預(yù)報(bào)分類的必要性是顯而易見(jiàn)的：

　?、僬_的分類是制定有關(guān)規(guī)程、細(xì)則或指南所需要的；

　?、谡_的分類有利于把超前預(yù)報(bào)納入施工計(jì)劃和管理的全過(guò)程；

　?、壅_的分類有利于指導(dǎo)科研立題及其管理。

　　根據(jù)隧洞施工超前預(yù)報(bào)的內(nèi)容和目的以及實(shí)際預(yù)報(bào)中的作用，結(jié)合我國(guó)隧洞施工超前預(yù)報(bào)的客觀實(shí)際，以下簡(jiǎn)要介紹隧洞施工超前預(yù)報(bào)分類的初步設(shè)想。

　　3.1 按預(yù)報(bào)的作用劃分

　?、?常規(guī)預(yù)報(bào)：是勘測(cè)設(shè)計(jì)階段地質(zhì)工作的繼續(xù)，也是隧洞施工的一個(gè)作業(yè)過(guò)程。其目的是結(jié)合施工進(jìn)程，收集地質(zhì)資料，判斷圍巖類別，了解掌子面前方短距離內(nèi)的工程地質(zhì)條件，為正確選擇斷面大小、襯砌類型、施工方法和支護(hù)設(shè)計(jì)或修改施工設(shè)計(jì)等提供依據(jù)，其成果可作為隧洞竣工后維修養(yǎng)護(hù)參考。該預(yù)報(bào)是短距離預(yù)報(bào)的主要任務(wù)，目前已有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)。多以地質(zhì)素描為主，配合簡(jiǎn)單的物探測(cè)試了解掌子面前方地質(zhì)條件。常規(guī)預(yù)報(bào)應(yīng)以施工單位為主，作定量預(yù)報(bào)、并結(jié)合施工進(jìn)行，預(yù)報(bào)時(shí)盡量不占或少占施工作業(yè)時(shí)間。

　?、?成災(zāi)預(yù)報(bào)：隧洞施工中的地質(zhì)災(zāi)害，是指隧洞施工過(guò)程中因前方地質(zhì)條件的突然變化，導(dǎo)致施工失去控制的非常事件。該事件可引起人員傷亡、機(jī)械設(shè)備失效并嚴(yán)重破壞、甚至被迫長(zhǎng)時(shí)間停工，致使工程部門蒙受重大的經(jīng)濟(jì)損失。隧洞地質(zhì)災(zāi)害主要有大規(guī)模塌方、涌水、涌泥、涌石、巖爆、瓦斯等。成災(zāi)預(yù)報(bào)是對(duì)可能的災(zāi)害性地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)，以指導(dǎo)隧洞施工中的防災(zāi)和減災(zāi)工作。該預(yù)報(bào)是中、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)的主要任務(wù)，是為隧洞施工戰(zhàn)略決策服務(wù)的。對(duì)可能成災(zāi)的地質(zhì)條件，應(yīng)從設(shè)計(jì)和施工方法上考慮特殊對(duì)策，否則可按常規(guī)預(yù)報(bào)進(jìn)行。成災(zāi)預(yù)報(bào)應(yīng)由設(shè)計(jì)、科研、施工單位組成專家小組，采用地質(zhì)、物探綜合分析法進(jìn)行定性和定量預(yù)報(bào)，并視工作需要占用部分施工作業(yè)時(shí)間。

　?、?專門預(yù)報(bào)：對(duì)特殊地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)報(bào)，如膨脹巖、侵蝕性地下水、高地溫、巖溶等。這些特殊地質(zhì)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(shí)或處理失當(dāng)，甚至可能釀成大的地質(zhì)災(zāi)害?？梢?jiàn)，專門預(yù)報(bào)也是隧洞施工預(yù)報(bào)的重要內(nèi)容之一。該預(yù)報(bào)應(yīng)由設(shè)計(jì)、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(yù)報(bào)。

　　3.2 按距掌子面的距離劃分

　　隧洞施工超前預(yù)報(bào)距離與隧洞施工速度和工程實(shí)際需要密切相關(guān)。結(jié)合我國(guó)隧洞開(kāi)挖技術(shù)水平和快速施工要求，按掌子面前方距離可分為三類：

　　⑴ 短距離預(yù)報(bào)：0～15m。就我國(guó)目前快速施工的水平，一般采用鉆爆與TBM相結(jié)合的方法。一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺約2～3m，二個(gè)循環(huán)是4～6m，三個(gè)循環(huán)是6～9m。實(shí)踐表明，預(yù)報(bào)三個(gè)循環(huán)的前方地質(zhì)條件，即能滿足安全施工要求。根據(jù)我國(guó)目前的探測(cè)技術(shù)，要預(yù)報(bào)掌子面前方15m范圍內(nèi)的地質(zhì)條件并不困難，且測(cè)試基本可與施工同步進(jìn)行。對(duì)成災(zāi)預(yù)報(bào)而言，短距離預(yù)報(bào)相當(dāng)于臨災(zāi)預(yù)報(bào)或防災(zāi)處理階段。

　?、?中距離預(yù)報(bào)：15～50m。對(duì)于防災(zāi)預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，只有15m范圍內(nèi)的臨災(zāi)預(yù)報(bào)是不夠的。發(fā)現(xiàn)有可能成災(zāi)的地質(zhì)條件，馬上要準(zhǔn)備處理，顯然太緊張。比較理想至少應(yīng)有30m的距離。因此，進(jìn)行范圍超過(guò)15m的中距離預(yù)報(bào)是隧洞施工所必須的。另外，從目前已有的預(yù)報(bào)實(shí)踐來(lái)看，用物探方法在開(kāi)挖面上進(jìn)行20～40m的超前探測(cè)已十分有效。說(shuō)明物探方法在中、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)中是有潛力的。

　　⑶ 長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)：50m以上為長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。

　　3.3 按采用的手段劃分

　?、?經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)：在以往工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，憑感覺(jué)就能進(jìn)行的預(yù)報(bào)。它對(duì)臨災(zāi)預(yù)報(bào)有特殊意義，如鑿孔過(guò)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(tīng)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(yù)報(bào)法或地質(zhì)分析法的預(yù)報(bào)效果與從事預(yù)報(bào)人員的經(jīng)驗(yàn)豐富程度密切相關(guān)。

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

　?、?綜合預(yù)報(bào)：地質(zhì)體是復(fù)雜的綜合體。企圖用單一方法查明隧洞的全部地質(zhì)條件是不可能的，因此應(yīng)采用綜合預(yù)報(bào)方法。根據(jù)地質(zhì)條件的差異和不同精度要求，適時(shí)選用若干種方法相互補(bǔ)充和印證，才能獲得良好效果。

　　3.4 按精度劃分

　?、?定量預(yù)報(bào)：“定量”是對(duì)前方地質(zhì)體具體位置、規(guī)模、設(shè)計(jì)參數(shù)變化等給出量的概念；對(duì)災(zāi)害性地質(zhì)條件，除明確災(zāi)害性質(zhì)外，還應(yīng)明確可能成災(zāi)的位置、規(guī)模和影響范圍等。當(dāng)然對(duì)量的精度要求也是相對(duì)的，如短距離預(yù)報(bào)精度要求最高；中距離預(yù)報(bào)精度要求次之；長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)則以定性為主，強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)略上的指導(dǎo)作用。

　?、?定性預(yù)報(bào)：定性是對(duì)定量而言。定性一定要準(zhǔn)，具體位置的精度可不作嚴(yán)格規(guī)定。

4 超前預(yù)報(bào)方法

　　4.1 直接預(yù)報(bào)法

　　4.1.1 水平鉆孔

　　在隧洞內(nèi)安放水平鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆進(jìn)，根據(jù)鉆孔資料來(lái)推斷隧洞前方的地質(zhì)情況。鉆孔數(shù)量、角度及鉆孔深度可人為設(shè)計(jì)和控制。由鉆進(jìn)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(lái)預(yù)報(bào)。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(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行下步施工組織。

　　水平鉆孔主要布置在開(kāi)挖面及其附近，既可在超前導(dǎo)洞內(nèi)布置鉆孔，也可在主洞工作面上進(jìn)行鉆探，用以獲得準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)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(wú)地下水和前方何處有地下水，從而可以得到開(kāi)挖面前方的地質(zhì)情況。該法是施工預(yù)報(bào)最有效方法之一，但也存在不足之處：①對(duì)垂直隧洞軸線的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)效果較好，與隧洞軸線平行的結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)較差；②需占用較長(zhǎng)的施工作業(yè)時(shí)間，費(fèi)用較高。

　　4.1.2 超前導(dǎo)坑

　　按導(dǎo)坑與正洞的相互位置分為平行導(dǎo)坑和正洞導(dǎo)坑。其中，平行導(dǎo)坑與正洞平行，斷面小且和正洞之間有一定距離，通過(guò)對(duì)導(dǎo)坑開(kāi)挖中遇到的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面或地下水等情況作地質(zhì)記錄與分析，進(jìn)而對(duì)正洞地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。該法的優(yōu)點(diǎn)是：預(yù)報(bào)成果比較直觀、精度高、預(yù)報(bào)的距離長(zhǎng)、便于施工人員安排施工計(jì)劃和調(diào)整施工方案，還可以起到減壓放水、改善通風(fēng)條件和探明地質(zhì)構(gòu)造條件的作用，同時(shí)，還可用作排除地下水、斷層注漿處理、擴(kuò)建成第二條隧洞之用。正洞導(dǎo)坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用與平行導(dǎo)坑相比，效果更好。超前導(dǎo)坑的缺陷為：一是成本太高，有時(shí)需要全洞進(jìn)行平導(dǎo)開(kāi)挖；二是施工工期較長(zhǎng)。

　　4.2 地質(zhì)分析法

　　4.2.1 斷層參數(shù)預(yù)測(cè)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(guò)對(duì)斷層影響帶的系統(tǒng)編錄所得經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)預(yù)報(bào)隧洞斷層破碎帶的位置和規(guī)模。由于大多數(shù)不良地質(zhì)現(xiàn)象與斷層破碎帶有密切的關(guān)系，故依據(jù)斷層破碎帶推斷其它不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模。

　　4.2.2 地質(zhì)體投射法

　　在地表準(zhǔn)確鑒別不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模和巖體質(zhì)量及精確測(cè)定不良地質(zhì)體產(chǎn)狀的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地質(zhì)界面和地質(zhì)體透射公式進(jìn)行預(yù)報(bào)。

　　4.2.3 正洞地質(zhì)編錄與預(yù)報(bào)

　　隧洞施工中，及時(shí)對(duì)其開(kāi)挖面(掌子面、邊墻面和拱頂面)上的各種地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)繪和記錄，利用已挖洞段地質(zhì)情況來(lái)預(yù)報(bào)前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象。它分為①巖層巖性和層位預(yù)測(cè)法：在開(kāi)挖面揭露巖層與地表某段巖層為同層和確認(rèn)標(biāo)志層的前提下，用地表巖層的層序預(yù)測(cè)掌子面前方將要出現(xiàn)的巖層；②地質(zhì)體延伸預(yù)測(cè)法：在長(zhǎng)期預(yù)報(bào)得出不良地質(zhì)體厚度的基礎(chǔ)上，依據(jù)開(kāi)挖面不良地質(zhì)體的產(chǎn)狀和單壁始見(jiàn)位置，經(jīng)過(guò)一系列的三角函數(shù)運(yùn)算，求得條帶狀不良地質(zhì)體在隧洞掌子面前方消失的距離。

　　該法是對(duì)開(kāi)挖面地質(zhì)情況如實(shí)而準(zhǔn)確的反映。其主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)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(hù)采用方法等。其優(yōu)點(diǎn)是占用施工時(shí)間很短，設(shè)備簡(jiǎn)單，不干擾施工，成果快速，預(yù)報(bào)效果較好，而且為整個(gè)隧洞提供了完整的地質(zhì)資料；缺點(diǎn)是與隧洞夾角較大而又向前傾的結(jié)構(gòu)面容易產(chǎn)生漏報(bào)。

　　4.3 物探法

　　4.3.1 彈性波法

　　4.3.1.1 TSP超前預(yù)報(bào)技術(shù)

　　TSP(Tunnel Seismic Prediction)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來(lái)預(yù)報(bào)隧洞掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況。該法屬多波多分量探測(cè)技術(shù)，可以檢測(cè)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(kāi)挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。數(shù)據(jù)采集時(shí)在隧洞一邊側(cè)墻等間隔鉆制20余個(gè)炮孔，而在兩側(cè)壁鉆取2個(gè)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(hào)及直達(dá)波信號(hào)將被2個(gè)三分量檢波器接收，該過(guò)程所需時(shí)間約1小時(shí)。然后利用TSPwin軟件處理可得P波和S波波場(chǎng)分布規(guī)律，其分析過(guò)程為：數(shù)據(jù)調(diào)整→帶通濾波→首波拾取→拾取處理→炮能量平衡→直達(dá)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(zhì)解譯的二維或三維成果圖。由相應(yīng)密度值，可算出預(yù)報(bào)區(qū)內(nèi)巖體物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而可劃分該區(qū)圍巖工程類別。實(shí)踐表明該法有效預(yù)報(bào)距離100～200m。