隧道工程中超前地质预报的应用
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摘要:从超前地质预报的原则入手，介绍了超前地质预报的方法，如地质分析法、地质雷达法、弹性波反射法等，对比分析了几个方法的优缺点，并结合崤山隧道项目进行分析，详细研究了各类超前地质预报方法在其中的运用，以期为相关工程带来借鉴。
1超前地质预报的原则
1)隧道超前地质预报关系到整个施工环境的安全，施工单位应将其看做隧道施工必要流程之一。2)施工单位在进行超前地质预报的时候应根据复杂程度划分不同等级，找出核心内容，严格依照动态设计原则开展各项施工，了解施工环境中的地质情况，依照隧道区段地质复杂特征选取合适的预报方法、设定科学的标准。3)施工单位可通过地质调查和勘测结合、将物探和钻探结合、远距离和近距离结合、地下和地上结合等手段，对所得结果进行全面分析，避免出现失误，尽可能提升精准度［1］。4)若是施工隧道包含正洞超前导坑、平行导坑等内容或两个隧道之间距离较近，此时施工人员可充分借助这些导坑开展各项超前地质预报工作。
2超前地质预报方法
1)地质分析法。主要作用有:①基于露头、地层研究该区域岩溶发育状况;②研究地下水、地表水的关联，分析其补排条件;③隧道设计应参照岩溶发育状况的预判;④了解沉积物分布、岩溶水体的化学与动力特性等。2)地质雷达法。地质雷达法属于地球物理勘测的方法之一，主要是借助干扰小的高频窄脉冲电磁波来探查各类介质，并在电磁波反射下完成数据反演，找出异常。3)弹性波反射法(TSP)。TSP探测是超前地质预报中地震波法的一种，该方法从数据采集、处理等方面都具有一定的优势。其工作原理是根据地震波在不均匀介质中产生的反射特性，来预报隧道掌子面前方及周围邻近区域的地质情况，包括岩体结构、性质、状态以及地下水和瓦斯等赋存情况，为进一步施工提供指导，避免施工及运营过程中发生涌水、岩爆、大变形等地质灾害，保证施工的安全和顺利进行。在崤山隧道项目中就运用到了TSP探测法。4)超前水平钻法。相较于其他预报方法，超前水平钻法更加直接真实，施工人员可从掌子面取芯，通过对岩芯岩性的分析研究了解周边环境地质状况。但是，使用这种方法往往需消耗大量时间成本，占用施工时间长且探测范围较小。
3主要预报方法的特点
项目单位要区分不同方法的特征与适用范围，构建相应的密集岩溶区综合预报体系，将整个预报过程分成短期预报、宏观预报、中长距离预报以及特殊方法预报等不同阶段［2］。施工人员可借助对地质状况的有效预报，使用专业的方法进行处理，从而帮助隧道安全穿越岩溶区段(见表1)。
4工程实例
崤山隧道在河南省界内，进口、出口分别设在灵宝市寺河乡细岭口与卢氏县官道口镇车家岭周边，右侧临近G209国道。隧道包含两个单洞，左右两线分别长22751m与22771m。该隧道属于整条线路中长度最长的隧道线路，周围海拔高约600～1400m，海拔最长值可达1470m。此外，该隧道整个地质构造、水文环境复杂，需严格进行勘测。
4．1地质雷达
崤山隧道工程中，选用了俄罗斯OKO－2和重庆TETSP两种地质雷达对项目进行超前地质预报。而根据实际情况来看，项目存在不同地段的地质条件差异化的特征，其中DK701+730～DK701+754段落中岩层呈现节理裂隙发育，结构大多不完整，稳定性能不佳。DK701+754～DK701+796段落同样存在岩层节理裂隙发育现象，局部地区存在裂隙水，稳定性能不佳。建议措施:项目单位施工过程中要重视支护工作的开展，特别是拱顶位置需要做好支护，以避免出现掉块、局部坍塌等问题的发生。同时，施工单位还要对其进行超前水平钻孔探测，做好排水工作。DK701+716～DK701+796段的围岩等级为四级。
4．2TSP法
表2为崤山隧道工程使用TSP法的具体里程。
4．3超前水平钻
为了解隧道DK701+716路段的地质状况，保障施工的安全开展，项目单位超前地质预报小组于2017年6月下旬开展了超前探测工作，项目共包含两个探钻孔，施工操作均在掌子面台中进行，同时，施工所选用的钻机型号应为ZH430C，钻孔深度为45m，从水平方向钻进。图1为孔位布置。通过钻孔发现地质状况如下。钻孔DKZK－1:42m深内，围岩结构不完整，部分区域破碎严重，此部位钻速较高，并未出现卡钻现象;当钻入42～45m时，围岩结构开始变得完整坚硬，钻速均匀缓慢，同样未出现卡钻问题。钻孔DKZK－2:7m深内，围岩结构不完整、岩质较软，部分区域破碎严重，此阶段钻速高、并未出现卡钻问题;当钻至7～27m之间时，围岩存在裂隙，部分区域存在破碎，该部位进钻匀速，未出现卡钻问题，无水;而当钻至27～45m时，围岩结构完整、稳定性能较好，未出现卡钻问题，无水。施工人员经过超前钻孔探测发现前方45m地质状况如下所示:在DK701+716～DK701+761地段中，母岩是安山岩，颜色为灰绿色，整体呈现弱风化，其中部分为强风化，岩层结构存在裂隙，整体破碎，部分破碎严重，稳定性能不佳，且存在部分裂隙水。因此，在施工的过程中项目单位人员应注重超前支护工作的开展，严格进行工序管理，及时封闭与监控量测，避免产生安全事故。为了解隧道DK701+751路段的地质状况，保障施工的安全开展，项目单位超前地质预报小组于2017年7月中旬开展了超前探测工作，探钻共计包含两个探钻孔，施工操作均在掌子面台中进行。施工所选用的钻机同样是型号为ZH430C的钻机，钻孔深度为45m，从水平方向钻进。图2为孔位布置。通过钻孔发现地质状况如下。1)钻孔DKZK－1:当对DK701+751～DK701+778位置钻孔时，进钻速度控制在9～10min/3m，整体结构不完整，部分破碎严重，钻进过程中未发生卡钻问题;而当对DK701+778～DK701+787位置钻孔时，进钻速度控制在5～8min/3m，整体结构不完整，岩层较软，钻进过程中未发生卡钻问题，无水;当对DK701+787～DK701+796进行钻孔时，速度达到8min/3m，此时出现了少量渗水。2)钻孔DKZK－2:当对DK701+751～DK701+757位置钻孔时，进钻速度控制在8～10min/3m，整体结构不完整，部分破碎严重，钻速较高，钻进过程中未发生卡钻问题;当对DK701+757～DK701+778位置钻孔时，进钻速度控制在7～8min/3m，整体结构不完整，匀速进钻，未发生卡钻问题，无水;当对DK701+778～DK701+796进行钻孔时，速度达到8min/3m，整体结构破碎，部分破碎严重，未出现卡钻问题，无水。施工人员经过超前钻孔探测发现前方45m地质状况如下所示:在DK701+751～DK701+796地段中，母岩是安山岩，颜色为灰绿色或灰黑色，整体呈现弱风化，其中部分为强风化，岩层结构存在裂隙，整体破碎，部分破碎严重，稳定性能不佳，且存在部分裂隙水。
5结束语
隧道项目风险极高，假设预测存在失误，将极有可能对整个安全施工造成影响，拖延整体工期。本文将崤山隧道项目当成具体研究对象进行分析，研究了不同预报方法所适用的对象、适宜使用具体以及设备在施工过程中易受的各项影响因素，望为类似项目所参考。
参考文献:
［1］杨小平．隧道超前地质预报方法研究［J］．工程机械与维修，2020，27(3):158－160．
［2］夏方华，郭有刚，刘明，等．超前地质预报技术在杭临城际隧道勘察中的应用［J］．工程技术研究，2019，42(24):104－105．
作者：刘康 单位：湖北中冶建设工程检测有限公司
