摘要：在隧道施工期中，采用各種技術、手段和方法對隧道掌子面前方地質條件(情況)進行及時準確的預測，從而使隧道施工可以提前采取預防措施、避免災害的發生或者在一定的程度上減少災害造成的損失，同時也滿足環境生態保護和安全生產的要求。本文首先闡述了隧道地質超前預報的主要內容和方法，其次，分析了隧道地質超前預報的形式和圍巖地質條件與施工的關系，具有一定的參考價值。
關鍵詞：圍巖地質,施工,隧道地質,超前預報
1. 前言
近些年，隨著我國基礎建設規模的不斷擴大，隧道工程已經成為鐵路、公路和水利水電、礦山等大型項目中的重要工程。在這種形勢下，隧道工程的重要性越來越顯著，隧道工程的數量大幅度增加，隧道工程的長度明顯增加，規模不斷擴大。因此隧道工程的順利安全施工和貫通，是不可回避的重要任務和技術難題。由于隧道工程屬于隱蔽工程，其埋深大、穿越地質單元多，遇到的工程地質問題較其他工程多，因此隧道的施工進度常成為控制整個工程進展。大量的隧道工程建設實踐表明，由于地質勘察精度、經費等條件的限制，根據地質勘察資料作出的設計與實際不相符的情況常有發生，因此隧道施工洞內塌方、突水、突泥、瓦斯爆炸、巖爆等地質災害時有發生，給隧道施工造成了相當大的危害。因此在隧道施工期中，采用各種技術、手段和方法對隧道掌子面前方地質條件(情況)進行及時準確的預測，從而使隧道施工可以提前采取預防措施、避免災害的發生或者在一定的程度上減少災害造成的損失，同時也滿足環境生態保護和安全生產的要求。
2. 隧道地質超前預報的主要內容和方法
2.1 隧道地質超前預報的主要內容
超前地質預報依據預報距離可分為長期(長距離)超前地質預報和短期(短距離)超前地質預報兩類長期超前地質預報可以探明工作面前方250 m~300 m范圍內規模較大,嚴重影響施工的不良地質體的性質、位置、規模及含水性。
短期超前地質預報,預報距離一般在15 m~30 m左右,依據工作面的特征,通過觀測、鑒別和分析,結合長期預報成果,推斷前方可能出現的地層巖性情況以及掌子面不良地質體的延伸情況,并提出適當的施工方法、超前支護和施工支護建議。
2.2 超前地質預報的工作方法
2.2.1 長期超前地質預報工作方法
(1)前兆定量預測法。根據斷層形成的力學機制和地應力能量釋放形成的基本理論可以推知:斷層破碎帶的厚度(寬度)與斷層影響帶內的兩個異常帶的厚度之間有必然的聯系。這種聯系可以用數學公式表達出來,這樣就可以應用經驗公式超前預報隧道工作面前方隱伏斷層的位置和破碎帶厚度(寬度),并且通過斷層產狀與隧道走向和隧道斷面的高度和寬度資料,預測影響隧道的長度。該方法的關鍵在于斷層影響帶內強度降低帶的辨認和始見點的位置確定,這要通過掌子面上大量的地質編錄工作來實現。
(2)儀器探測法。儀器探測法主要有地質雷達法、淺層地震反射法和TSP-202系統探測法。地質雷達法是屬于電磁波勘探的一種物探方法,雷達波的發射是通過一領結狀面天線向地下輻射,此種方法在石灰巖中應用最合適,探距可達30 m。淺層地震反射法原理與TSP-202系統大致相同,探測距離可達100 m。TSP-202超前地質預報系統是由瑞士來卡公司生產,探測距離為250 m~300 m,最高分辨率為1 m,探測空間為掌子面的前上方。TSP-202系統的解釋主要是將探測后形成的圖像結合地質實踐、地質調查,確定不良地質體的位置、性質及大小等相關地質特征。
2.2.2 短期超前地質預報
短期超前地質預報是在地面地質調查和長期超前地質預報的基礎上,結合它們的成果進行的一種更加準確的預報,預報范圍一般在掌子面前方15 m~20 m,主要的技術手段有臨近前兆預測法和掌子面編錄推斷法。
2.2.3 中距離預報
中距離預報距離為6~30 m,探測方法以物探和地質超前鉆探相結合。主要目的是探測掌子面前方30 m范圍內的不良地質體和含水構造的準確屬性、位置余額空間分布規模,并對短距離預報的結果進行驗證,提高探測預報精度。
2.2.4有害氣體的預測
有些隧道通過區的地層為煤系地層,為了使施工順利安全進行,采用沼氣-氧氣兩用報警儀,在隧道進行長期跟蹤量測,采取數據,進行預報。根據數據的積累統計分析,對掌子面前方的有害氣體進行預測,為隧道安全施工提供科學依據。在坑道開挖時,工作面上瓦斯量超過1. 0%,就不準放炮;超過2. 0%,人員就要全部撤出工作面。一般主風流處瓦斯含量不得超過0. 5%,總回風風流處不得超過0. 75%。
3. 隧道地質超前預報的形式
3. 1 長期預報單
在分析既有的設計資料,進行詳細地質調繪核對補充設計資料,綜合分析判釋物探測試等工作后,通過綜合分析得出結論,向施工單位提交掌子面前方50~100 m左右的地質、地下水情況及施工措施建議,以書面形式提出長期預報單。
3. 2 常規預報單
通過掌子面地質素描、有害氣體的量測、針對性地面調繪等工作,再結合長期預報單的情況,進行地質作圖,預測掌子面前方15~30 m的工程地質條件、水文地質條件、圍巖類別、有害氣體的情況等,并提出相應施工措施建議,以書面形式連續向施工單位提交預報通知單(一式兩份)。
3. 3 簡單說明及口頭通知
根據掌子面的地質情況和前方不良地質情況及施工單位主管技術領導以口頭或作草圖的形式解釋預報單的情況,并重點說明施工中最應注意的問題,作為施工組織安排的參考依據
4. 圍巖地質條件與施工的關系
4.1 圍巖地質條件對開挖方法的影響
隧道的開挖方法是根據隧道所處的圍巖類別,施工機械化水平,以及斷面大小等因素綜合確定。施工中開挖面的圍巖穩定與否與采用的開挖方法密切相關。若在開挖之前,能準確判定圍巖的工程地質特征、巖體結構及完整程度、地下水特征等,然后選擇正確的開挖方法,即使遇到的圍巖類別較低,施工也能順利進行,不致發生坍塌。
4.2 圍巖地質條件對爆破技術的影響
目前鉆爆法施工是隧道開挖的主要方法,提高隧道開挖的掘進速度,提高爆破質量,降低工程成本是目前鉆爆法施工的主要任務。開挖中是否能取得較好的鉆爆效果與炮眼布置密切相關。炮眼布置應根據巖石強度和地質特征綜合考慮,根據地質狀況,合理進行鉆爆設計,既可提高爆破效果,加快施工進度,又可限制爆破對圍巖的破壞和震動,從而避免進一步松弛巖體的結構而增大圍巖壓力,造成塌方。
4.3 圍巖地質條件與施工支護
隧道開挖前,巖體中的初始壓力處于平衡狀態,開挖后,巖體中的應力將重新分布,洞室周圍圍巖發生變形。由于圍巖巖性和巖體結構特征的不同,這個過程有快有慢。對于堅硬的巖石,洞室開挖后,圍巖回彈變形快,采用開挖后及時支護的方法較為合適。對于軟弱圍巖來說,洞室開挖后圍巖變形往往要經過一個較長的時期,選擇支護方式時,應以柔性支護為主,既允許圍巖有一定的變形,又要對其變形加以控制,防止松散和坍塌。
5.結語
隧道地質超前預報工作其實質是隧道施工地質勘察,與其他工程勘察一樣,應以地質為基礎,以洞內洞外的地質調繪編錄、物探、鉆探等多種勘察手段相結合的勘察方法,綜合分析、預測隧道工作面前方可能遇到的不良地質體及由此可能發生的地質災害的性質、分布位置、規模,最大程度的查明隧道地質信息,為隧道施工開挖提供依據。
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