隧道超前地质预报技术应用现状及其发展趋势

来源: 发布时间:2019-07-04 09:25:42

  摘要:隧道超前地质预报技术是隧道施工过程中必不可少的重要环节,对于防治隧道施工过程中的地质灾害、实现生产安全、提高施工的综合效益具有重要的意义和作用。本文首先对隧道施工超前地质预报技术的应用现状进行了深入分析,包括地质分析法、物探法当中的TSP法和地质雷达法,然后对上述几项地质预报技术的应用优势及应用不足等使用现状情况进行了探讨,最后对隧道施工超前地质预报技术未来的技术、需求、压力等发展趋势进行了展望,以期对本领域相关研究提供一定的参考。

  关键词:隧道超前地质预报技术;TSP法;地质雷达;应用现状;发展趋势

  1 引言

  随着国民经济迅速发展,我国的交通网络建设正在不断完善,全新的公路、铁路交通网线正在朝着西部等偏远山区不断延伸。各种类型的隧道(洞)在交通网络建设中地位愈来愈显示出重要作用。据预测,我国将在近几十年内完成铁路交通、公路交通以及水利水电、能源矿山、市政工程等领域大量隧道(洞)工程的修建,我国将成为世界上隧道修建规模最大、难度最高的国家。

  近年来我国的山岭深大隧道及跨海隧道等高难度隧道工程不断涌现,对工程地质勘察工作的要求也不断加大。然而,由于施工区域复杂多变的地质条件以及现有地质勘探手段的局限性,无法及时、精准地揭示隐蔽于隧道沿线的诸如节理、断层、溶洞、破碎岩体等不良地质体,这成为隧道施工过程中出现塌方、突水等地质灾害的重大诱因。

  为了及时、有效地掌握隧道施工期间掌子面前方的地质情况,以减少或杜绝施工过程中的地质灾害、实现生产安全,就必须做好隧道施工过程中超前地质预报的相关工作。如在贵州省赤望高速公路白腊坎至黔西段第六合同段中,因为采用了合理的隧道施工超前地质预报,最终极大地减少了安全事故的发生,有效提高了隧道工程的综合效益[1]。本文在前人研究的基础之上,对隧道超前地质预报技术应用现状进行了深入的分析,并对其未来发展过程中的问题和趋势进行了探讨,为超前地质预报技术的综合研究提供了参考。

  2.隧道超前地质预报技术的应用现状

  2.1 地质分析法

  地质分析法是目前隧道施工中最基本、应用最广泛的超前地质预报技术方法,其主要是根据掌子面、隧洞及区域地表条件的地质调查结果进行超前预报。通过地质分析法能够判断施工所在区域地质情况,划分风险等级,重点辨识高风险区域,同时,还可以通过对隧道掌子面前方的不良地质现象进行预测勘察,依照预测可能出现的类型、规模、部位,在隧道施工前制定出相应的超前地质预报方案,确保施工过程中选用工艺与措施的科学合理性,降低事故发生率。改预报方法主要针对于埋深较浅、地质构造不太复杂的地质,准确度高,不适合在深埋隧道以及地质构造复杂多变地区采用,因为,无法保障预测准确性,并且该方法开展工作难度较大[2]。

  2.2 物探法

  物探法是根据隧道工程岩土体不同的物理特点,采用不同的探测方式和探测仪器对隧道内部进行地球物理变化的探测,该方法是一种间接测试的方式。由于物探法对于隧道掌子面的施工不会造成影响,并且也不会破坏地质,所以该方法在近些年得到了快速发展。

  物探法主要有包括以下两种方法:

  TSP法。该方法始创于20世纪90年代末,是由瑞士安伯格测量技术公司所研发的一套超前预报系统。TSP(隧道地震勘探)属于多波多分量探测技术,其主要通过利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性原理,检测出掌子面前方岩性的变化,起到对隧道掌子面前方及周围临近区域地质情况进行预测。TSP法主要应用于100-200米中、长距离超前地质探测预报中,其应用优势主要有探测距离远、抗干扰性强以及分辨率高等。目前已经成功地在法国、日本等多个国家的公路和铁路隧道、输水隧洞等进行了千余次卓有成效的地质超前预报工作,同时,TSP法也获得了我国隧道工程技术人员的一致认同,在国内得到了快速发展并被成功地应用于公路和铁路隧道工程中。

  (2)地质雷达法。地质雷达法是利用隧道前方岩石介质界面的电磁特性差异而产生的电磁反射波进行隧道超前预报,其发射的是高频的电磁脉冲,在复杂的地质环境下,电磁波的衰减很快。在岩性较好情况下该方法一般能够探测开挖面前方10~30 m范围内及隧道周围的地质状况。该方法具有成本低、使用简单,可操作性强等优势[3]。

  3.隧道超前地质预报技术的发展趋势

  从超前探测技术的发展现状来看,技术本身仍存在诸多难题亟待突破,尤其是如何综合应用多种全新的探测技术和方式以满足深大山岭隧道和跨海隧道等工程的施工安全需要。因此,未来隧道超前地质预报技术发展所面临的形势、需求及压力均非常紧迫[4]。

  3.1 综合应用多种探测技术

  单一超前地质预报方法的准确度并不完全可靠,目前还没有哪种预报方法能对所有地质缺陷都做出准确预报。只有将多种超前预报技术进行结合,取长补短、互为验证,互为补充,才能够实现降低多解性、提高探测可靠性的目的。笔者认为可以将地质分析法、地质雷达与TSP法三种超前地质预报技术相结合,以TSP法为主要方法,以地质分析法和地质雷达法为辅助方法,建立系统立体的综合超前预报方法。

  3.2定量化超前预报技术

  钻爆法是隧道施工过程中一种重要有效的施工方法,目前钻爆法施工隧道超前地质预报技术已经趋于成熟,未来发展的方向在于怎样实现定量化超前预报。定量化超前预报是指利用先进的定向激发探测方式,对施工区域各种复杂的地质环境实现精确地质数据的定量化分析和提示。实现定量化超前预报的核心和关键在于创新探水定量这一难题。在定量化探水方面,仅有核磁共振法和激发极化法这两种物探方法被证明对水量有较敏感的响应[4],但是隧道内利用核磁共振和激发极化进行最后的定量探水目前处于起步阶段,也就是最多半定量估算的水平,未来还需要开展大量的室内和现场测试来查明具体地质条件下两者与水量的内在关系,以研发出真正切实有效的定量探水方法,实现对地质情况的精准预报。

  3.3 TBM施工隧道超前地质预报技术

  TBM法是欧美、日本等发达国家广泛采用的一种隧道施工方法,我国也在逐渐接受和推广。TBM法的地层适应性差,对超前地质预报的安全性和适应性要求较高,需要根据隧道掌子面的具体特点,判断掌子面的水体情况,综合应用两到三种超前地质预报技术,以长、中、短距离相互搭配,优势互补,降低多解性为原则进行预报,此外,利用掘进机破岩震动激发的被动源地震波法可实时探测反馈前方的地质情况,具有很好的前景;将观测系统通过利用多同性源屏蔽聚焦激发极化技术可以布置在掌子面上,有效的缩小了占用空间,在TBM应用中,也据用较好的前景。在定量估算水量过程中,激发极化技术的应用是很好的可行方法,必要时可将单孔定向雷达装配 TBM 机械上[4]。与此同时,地球物理仪器的搭载技术是TBM的一个特殊的需求,在未来的技术研究中,相关技术人员将把如何实现超前地质预报仪器与TBM 机械的一体化搭载和自动化快速测量最为极力解决的重要问题[4]。

  3.4 随钻或钻孔精细超前探测技术

  通常来说,钻孔地球物理技术能够科学地探明隧道掌子面中的含水量情况,并为是否会影响隧道工程的施工质量提供参考。随钻或钻孔精细超前探测技术的分辨率越高,结构面的成像越好。在进行隧道施工前,通过对随钻或钻孔精细超前探测技术的科学合理运用,实现超前地质预报中对隧道内部结构特点的更好了解,从而起到降低地质灾害的发生。

  此外,随着我国科学技术研究人员对探测技术的不断研究与探讨,已研发了跨孔地质雷达、跨孔弹性波等跨孔成像探测技术,研究成效有所进展,但是,在未来的研中,需要加大对提高空间分辨率技术方面的提升。在充分考虑探测效率因素上,更重视对单孔探测技术的应用。当前,在隧道超前探测中,单孔地质雷达成为唯一可用的单孔探测技术,其探测半径较大,且具有随钻探测的可能性[4]。但由于电磁波传播的全方向性,目前单孔雷达无法测定目标体的方位角,单孔雷达定向探测理论和技术是今后研究的重点之一。

  4.结语

  笔者在总结前人已有研究成果的基础上,结合自身参与的工程实践以及开展的相关调研,对隧道超前地质预报技术的应用现状进行了深入分析,并展望了该技术未来的发展趋势。对于该领域的研究者和应用者来说,应立足当前,放眼未来,充分厘清具体隧道工程的结构特点,探讨采用合理的探测技术,力求不断提高探测结果的准确性,使超前地质预报能够为隧道工程施工提供良好的服务,以此不断推动我国隧道工程更好的发展。

  参考文献:

  [1]王亚平.浅析隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].江西建材,2015(23):196.

  [2]安红润,姬文瑞.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].建筑工程技术与设计,2015(34):25-26.

  [3]于耀.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].工业,2015(12):00241-00241.

  [4] 李术才,刘斌,孙怀凤,等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报,2014, 33(6):1090-1113.

京ICP备19010415号  版权所有:科技风杂志社官网  未经本刊授权不得转载本站文章