超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工中的研究與應(yīng)用
【摘要】地質(zhì)因素對隧道施工存在很大的影響，采用TBM施工由于觀察不到掌子面的狀況，不能及時(shí)了解前方圍巖的變化；因此超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在施工中占有很重要的位置。本文對TBM日常施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的步驟進(jìn)行了闡述，并為以后地質(zhì)工作提出了建議。
關(guān)鍵詞：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，TBM施工，步驟
1．超前地質(zhì)預(yù)報(bào)概念：
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道施工中隧洞地質(zhì)監(jiān)測的重要組成部分，它包括隧洞圍巖描述、水文地質(zhì)監(jiān)測、施工地質(zhì)測繪、圍巖變形監(jiān)測、圍巖類別判別、儀器現(xiàn)場量測、不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)及相應(yīng)的地質(zhì)、測試資料分析和成果整理等工作，并及時(shí)提供超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果資料。隧洞施工超前預(yù)報(bào)的內(nèi)容一般包括：
1)、不良地質(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，并評價(jià)其對環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響；
3)、斷層及其破碎帶的預(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，提出施工對策；
4)、圍巖類別及其穩(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)測隧洞內(nèi)有害氣體含量、成分及動態(tài)變化；
2．超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分類：
1)、按預(yù)報(bào)的作用劃分：常規(guī)預(yù)報(bào)、成災(zāi)預(yù)報(bào)、專門預(yù)報(bào)
2)、按距掌子面的距離劃分：短距離預(yù)報(bào)（0～15m）、中距離預(yù)報(bào)（15～50m）、長距離預(yù)報(bào)（50m以上）
3)、按專業(yè)技術(shù)方面分為常規(guī)地質(zhì)法和物探法，具體有以下幾種：超前導(dǎo)坑、正洞地質(zhì)素描、水平超前探孔、聲波測試、紅外探水、電磁波法和彈性波法。
3．超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀：
隧洞施工超前預(yù)報(bào)目前已引起國內(nèi)外隧洞工程界的重視，也做了許多卓有成效的工作，但是由于對不良地質(zhì)體的認(rèn)識和判別存在主觀偏差，再加上勘測、測試手段的局限性和人為解譯的差異性，因此，難以保證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確和及時(shí)。到目前為止還沒有一套系統(tǒng)的普遍適用的方法，國內(nèi)外隧洞工程的重大地質(zhì)災(zāi)害仍時(shí)有發(fā)生。
4．超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在工程中的應(yīng)用
根據(jù)TBM自身的構(gòu)造特點(diǎn)，施工中主要采用常規(guī)地質(zhì)法和物探法相互配合進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；其中，常規(guī)地質(zhì)法主要通過對正洞進(jìn)行地質(zhì)素描，收集和分析現(xiàn)場資料，指導(dǎo)施工。同時(shí)，利用聲波測試來驗(yàn)證常規(guī)地質(zhì)法的預(yù)報(bào)成果。
4.1地質(zhì)素描的內(nèi)容
地質(zhì)素描的內(nèi)容主要包括地下水狀態(tài)（出水點(diǎn)、出水量、水壓力、突水情況等），地層巖性（產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造影響程度等），巖石特征（巖石名稱、風(fēng)化狀況，巖石結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等），地質(zhì)結(jié)構(gòu)面（間距、延伸性、粗糙度、張開性等），軟弱夾層，貫穿性強(qiáng)的大節(jié)理，斷層（填充情況、風(fēng)化程度、開度、滲漏等）。
4.2常規(guī)地質(zhì)法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的步驟
1）、熟悉工程區(qū)域地質(zhì)概況，了解本標(biāo)段所處的地層特性，重點(diǎn)根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料掌握TBM掘進(jìn)過程中所可能遇到的不良地質(zhì)地段。
2）、配備專業(yè)的地質(zhì)工程師，詳細(xì)掌握已開挖出露的圍巖特性及結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系。
3)、進(jìn)入TBM工作面，首先辨別所開挖出露的圍巖中所含礦物，并判斷其巖性，并素描出揭露洞段的結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)，不良地質(zhì)體的影響范圍及各結(jié)構(gòu)面和不良地質(zhì)體之間的關(guān)系，并詳細(xì)描繪出各組結(jié)構(gòu)面之間的間距、延伸性、粗糙度和張開度。按要求選取典型洞段，統(tǒng)計(jì)其中結(jié)構(gòu)面組數(shù)，計(jì)算其體積節(jié)理數(shù)。判斷圍巖中所侵入的巖脈名稱、產(chǎn)狀、厚度、充填、泥化程度和破碎情況，以及巖脈侵入過程中對圍巖穩(wěn)定造成的影響。統(tǒng)計(jì)掌子面每分鐘的出碴量。
4)、在地質(zhì)素描過程中，要重點(diǎn)標(biāo)出洞室圍巖的各個(gè)出水點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)其水量及分析其對洞室產(chǎn)生的影響。
5)、總體觀察已開挖洞段，描繪出整段洞室的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，重點(diǎn)描繪洞室所揭露的貫穿性大的節(jié)理、斷層性質(zhì)及斷層間充填的物質(zhì)、風(fēng)化程度、張開度和滲露度等。
6)、記錄TBM掘進(jìn)過程中的推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度。分析已開挖洞段的推進(jìn)速度和圍巖強(qiáng)度之間的關(guān)系。
7)、分析碴體情況，一般按薄片狀碴體、次塊狀碴體、塊狀碴體和大塊狀碴體分類，并大致統(tǒng)計(jì)其各自所占的百分率。選擇一定數(shù)量大小的碴體，通過點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)，得出巖石強(qiáng)度。
8)、分析現(xiàn)場搜集的數(shù)據(jù)，根據(jù)對現(xiàn)場已開挖洞段的結(jié)構(gòu)面及其之間的關(guān)系和結(jié)構(gòu)面的延伸狀況及洞室的體積節(jié)理數(shù)，綜合考慮地下水的影響，得出前方結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及對洞室所產(chǎn)生的影響；統(tǒng)計(jì)TBM掘進(jìn)推力、掘進(jìn)速度及巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并根據(jù)TBM的每分鐘的出碴量和TBM自身特點(diǎn)得出三者之間的關(guān)系，為日后的地質(zhì)預(yù)報(bào)工作提供經(jīng)驗(yàn)。
9)、在已開挖洞段每100m施作一對深5m間距2m左右的鉆孔，利用聲波物探測試本段的巖石的完整性系數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)得出的體積節(jié)理數(shù)，確定巖石的完整性。
10)、對比前期地質(zhì)勘探成果，并根據(jù)室內(nèi)分析結(jié)果，書寫地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告和建議支護(hù)措施，及時(shí)下發(fā)至現(xiàn)場施工人員，指導(dǎo)生產(chǎn)。
4.3TBM施工中常規(guī)地質(zhì)法預(yù)報(bào)存在的問題
1)、現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和產(chǎn)狀過程中，受TBM自身的機(jī)械和電氣設(shè)施的影響，地質(zhì)羅盤在現(xiàn)場無法使用，使結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的描述和統(tǒng)計(jì)就產(chǎn)生偏差，甚至錯(cuò)誤；后期地質(zhì)預(yù)報(bào)的成果和實(shí)際圍巖情況就會出現(xiàn)的誤差。
2)、一次性搜集到的已開挖圍巖的情況偏少，無法完全準(zhǔn)確的了解到圍巖整體結(jié)構(gòu)面的特征及各組結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系。
3)、TBM正常掘進(jìn)時(shí)，渣體一般為碎塊及粉末狀，不易尋找合適的點(diǎn)荷載試件，且試件已受到滾刀和刮板的劇烈擾動后，強(qiáng)度會有所降低。
4)、TBM掘進(jìn)參數(shù)和圍巖性質(zhì)之間的關(guān)系并沒有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考，且每臺TBM自身性質(zhì)的不同，掘進(jìn)參數(shù)和圍巖性質(zhì)之間的關(guān)系也不相同，具有不確定性。
5．對TBM施工中地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的總結(jié)
TBM自身特點(diǎn)及其施工特點(diǎn)決定了每一臺TBM都必須要有一套獨(dú)立的與其相適應(yīng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段作為其施工指導(dǎo)，該施工手段是由專業(yè)地質(zhì)人員在了解TBM特性和現(xiàn)場施工情況后逐步摸索總結(jié)出來的。因TBM機(jī)況及施工地段的區(qū)域地質(zhì)條件不同，原有已總結(jié)出的地質(zhì)預(yù)報(bào)手段只能做為參考，輔助專業(yè)地質(zhì)人員更好更快的摸索總結(jié)出更為合適的預(yù)報(bào)手段。
我國TBM施工隧道長度有限，積累的經(jīng)驗(yàn)還不全面，仍處于摸索和經(jīng)驗(yàn)積累階段。在隧道施工中，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和對TBM實(shí)際開挖出露的圍巖進(jìn)行地質(zhì)編錄，獲得第一手實(shí)際資料，及時(shí)總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，應(yīng)用規(guī)律，較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)主洞地質(zhì)條件，用于指導(dǎo)施工。做好施工地質(zhì)工作是為了消除地質(zhì)隱患，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供所需的工程地質(zhì)資料，檢驗(yàn)前期勘察成果，選擇合理的施工參數(shù)，指導(dǎo)工程安全施工和充分發(fā)揮工程的目標(biāo)效益，同時(shí)為工程驗(yàn)收和運(yùn)行期研究有關(guān)問題提供地質(zhì)資料的基礎(chǔ)工作，其意義重大。
參考文獻(xiàn)：
1、深埋長大隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法淺析劉文元
2、遼寧省大伙房輸水工程TBM2標(biāo)實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)中鐵隧道集團(tuán)
