地铁隧道施工地质超前预报方法与探测技术研究

地铁隧道施工地质超前预报方法与探测技术研究

徐小军

江苏省地质矿产勘查局第一地质大队210041

摘要：随着我国城市化建设的不断发展，超前预报探测技术在地铁隧道施工的作用越来越突出。地铁隧道施工具有较高的综合性、复杂性和技术性要求看，因此要想保证隧道施工质量可以选择超前预报探测技术。在进行隧道施工过程中经常会出现因为地质条件而影响施工进度的问题，这种情况下使用超前预报探测技术能够对施工地段制定情况进行全面预测，促进施工的顺利进行。

关键词：地铁隧道；地质超前预报；探测技术

从隧道工程施工实际来说，受到地质勘探技术的影响，加之地质复杂性强、水文地质多变，使得工程设计阶段，难以全面掌握隧道围岩类型以及周围不良地质分布实际情况。由于隧道施工作业前方地质情况具有未知性，极易造成施工中断，增加施工工期和成本，而且极易引发工程问题，比如塌方和涌水等，造成工程事故。基于此，做好地质超前预报，有着重要的意义。

1地质超前预报探测技术的重要作用

随着城市交通运输的持续发展，隧道工程也逐渐发展起来，同时成为一种重要的辅助性建设方案，尤其是我国的土地辽阔，具有各种形式的地貌，因此在建设过程中会遇到各种地质环境的限制。在施工过程中要重视环境因素，环境主要包括外部环境和内部环境两种形式，外部环境主要是指对附近环境的影响，内部环境就是指施工环境。在施工过程中应该合理控制各种施工技术，提高施工环境，从而减少对附近环境的影响。

由于地下工程大部分的围岩在稳定性上都有所不足，但通过超前预报探测技术能够有效预防这种问题的出现，这种地质灾害还容易导致岩石塌方等问题的出现。大部分情况下，为了提高隧道的工程质量，一般会在正式建设工作前进行全面的勘察工作，从而防止施工过程中出现各种突发问题。为此超前预报探测技术就逐渐应用于城市地铁隧道施工当中，能够有效控制施工风险，在最大程度上缩小风险范围，并帮助施工人员合理掌握施工现场的地质情况，排查出潜在风险。目前，准确高效的超前地质预报已经成为国外内隧道工程施工研究的主要内容。在隧道施工作业中，做好超前地质预报，有着现实的意义。

2隧道施工超前地质预报现状

开挖的隧道前方的掌子面地质变化存在不良地质情况的工程、探测的形状、位置等进行预报和解释，并及时的提出相应解决方案就是隧道施工超前地质预报：

从严格意义上讲，当前的隧道施工地质超前预报使用的方法由下面几种组成：地面地球物理探测法、洞内地球物理探测法、地质调查法、超前钻孔法、超前（平行超前）隧道（导坑）法、岩体温度探水法等。

总体而言，当前中国还没有完善的预报技术，施工技术目前还不能获得相应的满足，问题主要包括下面几点：①用单一的方法和参数来解决和预报具体的问题缺乏较高的精度，多解性明显；②判断地质类型仅依靠单一的探测方法，局限性较大；③对隧道的掌子面超前地质预报而言，地面勘探设备还无法适应。

3超前地质预报方法的可靠性和局限性分析

3.1隧道施工地质超前预报方法

当前的隧道施工地质超前预报方法包括以下几种：地面地球物理探测法、洞内地球物理探测法、地质调查法、超前钻孔法、超前（平行超前）隧道（导坑）法、岩体温度探水法等。

3.2隧道施工地质超前预报方法的局限性

地面地球物理探测法，其探测的剖面决定了其探测的深度，判释异常体性质必须与设计隧道的地质资料相结合，从一定角度上讲，判释者的工作经验以及掌握的隧道地质的背景情况决定了判释的准确与否。

洞内地球物理探测法，判释层析成像中存在的异常体和界面间的介质的性质等都必须密切联系隧道所设计的地质资料，判释者的工作经验以及掌握的隧道地质的背景情况决定了判释的准确与否。

地质调查法，必须依靠专业的地址人员，预报的准确程度和距离都受预报人员的经验的影响。

计算界面位置时建立在电磁波、声波以及地震波的速度的基础之上的，是从探测位置到第一界面之间的一个传播速度，而后面再进行的预报则缺乏较高的准确率；预报距离方面，最长的是地震波，其次是声波，最后是电磁波。

超前平行的隧道与导坑、后施工的隧道等都存在较小地记间距，其地质条件也都以沉积岩为主，这种情况下存在较高的预报率；而地质以火成岩为主，结构较为复杂的情况下，则预报就会响应的降低准确度。

超前导航法用于构造变化不大的非可溶岩地区的预报，一般较为准确，而用于地质情况相对复杂的岩溶发育区则会相应的降低准确度。

超前孔法适用于非可溶岩地区，而对于可溶区，尤其是探测溶岩分部情况时，钻孔的数量和布置情况都决定了其准确与否。适用于基岩孔隙裂缝水的探测，而导水性能较好的可联系地表水的断层破碎带涌水、泥沙等，在钻孔方面存在较大的风险，对防突设备的要求较高。

岩体温度法探水，隧道洞内的施工不会对其测试的数据产生影响，预报人员是否对隧道地区的地质水和地质条件熟悉、是否具有丰富的经验等都不会影响其判断结果，具有较高的准确率。

3.3正确认识超前地质预报的探测能力

地质预报体系在一定程度上会受到地质环境的影响，影响因素有下面几点：①仪器的精确程度；②介质所处的环境噪音；③目标体及其所处介质环境的物性差异。随着传播距离的衰减，激发波的振幅也会随之衰减，探测的深度也响应减小。

4地质超前预报探测技术分类和应用

4.1超前水平钻探

在使用超前水平钻探技术之前，应该对掌子面地质情况进行编制工作，这种方法主要是通过专业的地质工程师定时对掌子面地质情况进行跟踪调查，包括岩石的类型、岩石倾角、倾向产状以及裂隙、节理的分布和发育状况等，从而对掌子面前方十米左右的地质情况进行大致的预测。这种方法具有良好的适应性，一次需要半个小时的时间，从而得到比较准确的岩石力学参数。但是这种方法需要专业的地质工程师具备较高的专业技术水平。这种方法在实施过程中只需要一些地质调查方面的设备即可，包括记录纸、钢卷尺、数码相机、罗盘等物即可。在施工过程中还要遵守基本施工原则，保护好围岩，将围岩当作是承力结构中的组成部分，对遗留围岩中的松弛和损伤现象进行有效控制。对于硬质的围岩来说，在施工过程中应该尽量减轻对遗留围岩固有支护的损伤，利用控制爆破、光面、水磨钻和机械开挖等技术降低对围岩的破坏与干扰。对于软质的围岩来说，利用各种形式的方法与手段，提高围岩支护能力，通过加固、支护等辅助技术提高围岩支撑能力。

将水平钻探技术直接应用到掌子面中，正常的情况下，钻孔的深度应该保持在15到30米左右，能够对掌子面前方的破碎断层带和不稳定岩层进行准确掌握，同时还能利用实验的方式收获岩石中的各种物理性质参数。

4.2超前预报系统

超前预报系统TSP的工作原理主要是一种回声测量的原理。在隧道当中，使用一定量的炸药创造出一种规律排列的震源，而震源产生的地震波又会传播到地层的节理面和界面当中，尤其是淤泥岩溶、暗河、溶洞、破碎断层带等各种不良界面中，部分信号会直接穿透前方的界面，而部分信号则会反射回来。而地震波检测器就可以直接接受这一类的地震波。由于反射波的传播方向、传播强度、波形、延迟时间和反射速度等因素都和界面的产状和性质之间具有直接的联系，并且可以利用不同的数据形式展示出来，这些数据也会在经过处理后直接储存起来，随后经过专业软件的计算，形成一种反射波形图。

通过利用超前预报探测系统可以对掌子面前方的岩溶陷。软岩和破碎断层带等问题地质规模、位置和性质进行科学预报，不但可以预报煤层地界中的富水岩成分和煤层成分，老窑等空采区间的规模和位置，同时还可以分析预测各种不良的地质条件中未来可能发生突水、突泥、塌方等地质灾害的概率。

4.3雷达地质探测

探测雷达也可以称作是GPR探测方法，这是一种能够了解地下介质分布状况的电磁波广谱技术，探测雷达主要是通过一个可以发射短脉冲高频带的电磁波，另一个接收地下界面介质中的反射波的天线。当介质中的电磁波在传播过程中，电磁波的传播波形、强度和传播路径都会随着几何形态和介质的变化而发生改变。因此，根据电磁波的接收时间，也可以称作是双程走时，和波形以及幅度变化等因素，探测地下介质的反射界面深度和构造深度。探测雷达主要是在基岩探测中进行使用，同时还能够应用于管道的漏气探测和漏水探测、划分污染区域界面、探测目标结构物是否存在缺陷、探测地下埋藏物体、水底沉积探测、隧道工程验收工作、机场跑到和高速公路的地基质量检测、掌子面地质问题检测、裂隙和溶洞检测、堤坝塌陷探测、预测滑坡以及划分第四系地层等工作当中。

4.4高密度电阻率方法

高密度电阻率的基本原理是垂向的直流电测原理，直流电测方法其实就是探索特定地点中电阻随着岩层深度变化的一种物理探测方法。这种方法主要是将地面上某一测点为核心，随后根据从近到远的规律逐渐提高检测装置设置距离实施测量工作，由于随着极距的变化，电阻率也在发生改变，因此可以根据这一现象对电性层进行不同程度的划分，了解电性层的垂直分布规律，并计算出厚度和埋深。电测剖面原理，电测剖面方法其实就是在电极测量和供电过程中保持一定的距离，随后根据指定的探测深度，沿着测线方向来实施观测，并收集电阻率的变化曲线，而在这一曲线当中能够反映出电性层在一定深度内的变化情况。由此能够看出电阻率剖面方法就是研究在一定深度内，电阻率的水平方向上变化的检测方法。

4.5宏观地质分析法

该法是指在隧道选址后到开挖前这期间，通过查阅施工区域工水文地理资料，并实地踏勘或进行地下水水文示踪试验等，来分析该区域的岩石类型、地下水位及走向，以及是否存在较大断层或岩溶等，并据此预测施工过程中可能会遇到的地质灾害[2]。宏观地质分析法一般用作初步预判，在综合超前地质预测技术中使用频率较高。

4.6红外线探测技术

由于晶格和分子在岩层中处于一种不断振动的状态，因此会不断向外部发送电磁波，同时形成一种红外线辐射场。地质条件的不同会产生不一样的红外线辐射场。而红外线探测技术就是利用探测仪来探测前方允许范围内所发生的变化，随后利用看其红外线辐射的温度变化。当没有发现地质异常问题时，红外线辐射场就会处于一种常量状态。但检测到存在潜在的异常状况时，异常的辐射场就会在正常辐射场中叠加出现，从而使正常辐射场出现畸变现象。通过地质预报和监控测量等手段，将支护与围岩变化情况技术反馈出来，从而为实际施工提供准确科学的参考依据，通过地质雷达、超前钻孔、地震波探测仪等方式进行环境判断和超前地质预测，从而对隧道前方施工位置的水文条件和地质条件进行准确掌握。随后在根据超前地质的预测资料和监控质量，对设计文件进行评价、确认，当地质条件和设计要求不符时，应该优化调整施工方法、施工技术和支护体系。

5隧道施工期地质超前预报技术应用实例分析

5.1案例概述

以某隧道工程为例，其为上下行分离式单洞隧道，左线隧道的起止桩号是ZK22+535-zk23+565，隧道全长为1030m。隧道进出口设计为端墙式洞门，呈南北方向展布。此隧道穿越低山丘陵区域，地形起伏变化较大，地面植被比较发育。隧道进口处于山谷坡度位置，坡面相对陡峭，坡度处于40-45°范围内。出洞口地势低洼，接近洞身侧是陡悬崖，冲沟内常见地表水。根据钻孔结果了解到，隧道区地层覆盖层以坡积粉质粘土为主，基底是侏罗系上统凝灰岩风化层。为确保作业的安全性，降低地质灾害的发生，在K22+679掌子面前方0-30m区域内，对围岩情况，开展地质超前预报。现结合具体实践，分析隧道施工期地质超前预报技术的应用。

5.2检测设备

此次隧道施工期地质超前预报，使用的是SIR-20型探地雷达，使用中心频率为100MHz的雷达天线，探测掌子面前方的围岩情况。使用的探地雷达系统，具体构成如下：1）控制单元。其为系统管理器，使用计算机发布测量指令。控制单元主要控制发射机以及接收机，并且进行跟踪，获取位置以及时间信息。2）发射机。3）接收机。4）辅助元件，比如电源等。在运行时，雷达向围岩介质，以宽屏带脉冲形式，发射高频电磁脉冲，利用发射天线，定向送入掌子面前方围岩，使用接收天线进行信号接收。基于电磁波传播特点，其路径和波形等，会依据介质的电性特性以及几何形态变化，因此通过采集和处理以及分析时域波形，能够确定围岩界面或者地质体所在位置和范围。

5.3探测结果

围岩设计情况：依据地质资料，ZK22+679-ZK22+700段的围岩等级为Ⅲ级，主要是由中风化凝灰岩、微风化凝灰岩组成，岩石较为完整，为短柱状，部分为碎块状，强度极高。位于ZK22+700-ZK22+709段的围岩，其等级为Ⅳ级，主要组成包括中风化凝灰岩、微风化凝灰岩，岩石较为完整，为块状。掌子面围岩情况：岩石的岩性是由中风化凝灰岩、微风化凝灰岩组成，呈现褐黄色以及深灰色，为凝灰质结构，围岩的岩石比较完整，呈现块状，没有发现明水。

地质雷达探测结果如下：通过对ZK22+679掌子面的监测，依据获得的雷达数据信息，结合地质现状，推断掌子面前方围岩具体分析情况，判别围岩级别。掌子面前方0-15m范围内的雷达波特征没有过大的差异，波幅以及相位的变化比较小，进而推断此测线所处的掌子面前方0-15m范围内的围岩，其特性和掌子面没有大的差异，图像局部反射波呈现杂乱状态，振动较大，是由于凝灰岩局部节理裂隙发育造成的。在15-20m范围内，波幅以及相位出现变化，其中断面右幅变化较大，推断围岩差，并且裂隙以及节理发育。在20-30m范围内，波幅以及相位的变化，同掌子面前方20m位置相比变化不大，推断此部分围岩和掌子面前方20m位置相似。

5.4处理建议

通过对隧道进行地质超前预报，结合掌子面地质的实际情况，为保证隧道工程施工顺利开展，提出以下建议：1）依据围岩结构变化情况，结合结构的完整性以及稳定性状态，控制开挖进尺。2）因为位于ZK22+694-ZK22+700段的围岩，其节理和裂隙发育，极易引发塌方事故，建议按照Ⅳ级围岩施工作业，剩余段依据工程设计施工作业。3）在掌子面前方4m后的位置，疑似存在小的破碎代或者夹层，极易产生落石或者塌方事故，因此在施工作业中，要采取支护措施。4）要尽早支护，完成开挖作业后，要及时做好封闭处理，再在开展循环开挖，避免出现伤人事件或者塌方事件。除此之外，要坚持弱爆破原则，采取光面爆破技术，做好药量的把控，控制围岩扰动。

6隧道施工期地质超前预报技术发展趋势

从当前隧道施工作业实际情况来说，地质超前预报技术的应用，主要特征为机械一体化以及探测自动化，代表着隧道工程施工环境下探测技术应用的基本需求以及发展趋势。从当前隧道施工地质超前预报技术的研究实际情况来说，研究进展不够理想，定量化水平比较差，无法达到工程施工作业的具体需求。除此之外，关于隧道施工地质超前预报技术的研究比较少。由于技术发展缓慢，加之地质超前预报技术自身还存在着一定的问题，而隧道施工对此项工作的要求不断提升，所以要加大技术研究。从技术发展趋势来说，具体如下：1）隧道施工作业定量化超前预报理论和预报技术将会密切结合；2）地质超前预报技术以及设备更新的速度将会进一步加快；3）随钻或钻孔精细地质超前预报理论以及技术，将会成为研究的重点；4）单孔雷达定向地质探测理论以及技术，将会是研究的主要内容；5）地质灾害源定量预报以及变化动态监控。

7结语

综上所述，超前预报探测技术对城市地铁隧道工程建设具有重要的作用，能够帮助工程施工过程避免许多不可预测的障碍。为此相关工程建设人员应该对超前预报探测技术进行深入的研究，从而掌握各类超前预报探测技术的使用特点，从而根据工程现场的施工要求，科学选择施工技术，提高城市建设水平，促进我国城市的快速发展。

参考文献

[1]王文轩.岩溶发育区的地铁隧道超前地质预报方法探究[J].工程技术研究，2018（4）.

[2]岩溶地区地铁一种综合超前地质预报方法[J].工程勘察，2017（6）.

[3]古上申.TBM隧道施工超前地质预报现状和技术[J].四川水泥，2018（3）.