超前地質(zhì)預報技術在高鐵隧道施工中的應用研究

超前地質(zhì)預報技術在高鐵隧道施工中的應用研究摘要：隧道工程在設計階段應進行超前地質(zhì)預報設計，預報方法的選擇應與施工方法相適應。施工實踐證明，在隧道施工中對掌子面前方圍巖進行超前地質(zhì)預報是非常必要的，不僅可以避免重大的不良地質(zhì)災害發(fā)生，還可以為正確選擇開挖方法、支護設計參數(shù)和優(yōu)化設計方案提供依據(jù)，為預防隧道涌水、突泥、突氣等可能形成的災害性事故及時提供信息，保證施工安全，加快施工進度，降低施工成本。本文通過隧道超前地質(zhì)預報技術在蘭新高鐵甘青段隧道施工中的應用，介紹了一些關鍵技術，這些技術對高鐵隧道施工具有積極的參考價值。關鍵詞：超前地質(zhì)預報

高鐵隧道

研究1.引言隧道洞身在復雜地層中穿越，施工中可能遭遇突水、突泥、高地應力、坍塌冒頂、有害氣體等不良地質(zhì)災害，嚴重威脅著隧道施工安全，給隧道建設帶來嚴重阻礙。尤其作為復雜地質(zhì)、特長及長大隧道，要在隧道勘察設計階段，準確查明巖體狀態(tài)、特性及地質(zhì)災害的位置、性質(zhì)和規(guī)模。就目前的勘察技術手段和方法而言，是非常困難的，需要在施工中實施動態(tài)管理，借助綜合超前地質(zhì)預報技術進一步探明。蘭新高鐵甘青段隧道施工充分揭示，準確預報隧道掌子面前方地質(zhì)條件是隧道建設的迫切需要，是確定工程對策、工程措施的關鍵，是工程施工安全的前提，是控制和合理運用工程投資的重要因素。綜合超前地質(zhì)預報技術在風險隧道施工安全管理中發(fā)揮了重大作用，同時也為中國高鐵建設積累了經(jīng)驗。2.隧道工程概況蘭新高鐵甘青段線路全長1065.856km，隧道工程計167.842km/50座，占線路總長15.75%，其中特長隧道39.259km/3座，長隧道89.757km/16座，其余均為中長及短隧道。隧道工程所處區(qū)域相對比較密集，主要集中在蘭州至西寧段及大坂山、祁連山兩個越嶺段，穿越多處區(qū)域性斷裂帶、軟巖大變形、瓦斯突出等不良地質(zhì)及巖堆、膨脹巖等特殊巖土，尤其是祁連山隧道穿越800m碎屑流地層。地質(zhì)條件復雜，施工安全風險高。3.隧道超前地質(zhì)預報技術簡介3.1隧道超前地質(zhì)預報的重要性突泥、突水、高地應力、坍塌冒頂、煤層瓦斯突出及爆炸等是隧道建設中的主要工程地質(zhì)問題，將會給隧道建設本身和周邊環(huán)境造成極大的危害，是制約隧道建設工期及能否安全開通運營的關鍵。準確預報隧道掌子面前方及其周邊圍巖與地層的地質(zhì)條件是隧道建設的迫切需要，是確定工程對策關鍵，是隧道工程施工安全的前提，是控制和合理運用工程投資的重要因素。3.2超前地質(zhì)預報發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀近十幾年來，我國隧道施工技術已經(jīng)有了很大的發(fā)展，為了保證在隧道施工時的安全，超前地質(zhì)預報的研究顯得越來越重要。國外早在20世紀四五十年代就開展了隧道超前地質(zhì)預報工作。我國自上個世紀五六十年代修建川黔鐵路涼風埡隧道、成昆鐵路線時開始以地質(zhì)法為主開展此項工作。上個世紀70年代后期，國內(nèi)外隧道超前地質(zhì)預報技術的研究與應用得到了長足的發(fā)展，但由于隧道地質(zhì)條件越趨復雜，目前還沒有哪一種儀器和設備能解決所有的地質(zhì)問題。我國有關行業(yè)、部門已發(fā)布有關于隧道超前地質(zhì)預報技術方面的《指南》、《規(guī)程》規(guī)范，但超前地質(zhì)預報的技術和設備仍需不斷更新。3.3超前地質(zhì)預報的目的和內(nèi)容（1）預報目的進一步查明隧道掌子面前方前方一定范圍內(nèi)的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，預測前方的不良地質(zhì)問題，指導工程施工的順利進行；降低隧道地質(zhì)災害的發(fā)生的風險和危害程度；為優(yōu)化施工設計參數(shù)提供地質(zhì)依據(jù)，為編制竣工文件提供可靠的地質(zhì)資料。（2）主要內(nèi)容地層巖性預測預報，特別是對軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土的預測預報；地質(zhì)構造預測預報，特別是對斷層、節(jié)理密集帶、褶皺軸等影響巖體完整性的構造發(fā)育情況的預測預報；不良地質(zhì)預測預報，特別是對巖溶、人為坑洞、瓦斯等發(fā)育情況的預測預報；地下水預測預報，特別是對巖溶管道水及富水斷層、富水褶皺軸、富水地層中的裂隙水等發(fā)育情況的預測預報。（3）地質(zhì)災害警報硬巖巖爆、軟巖大變形；突水、突泥的強度及規(guī)模；大型塌方；瓦斯突出；天然氣、瓦斯燃燒爆炸；溶腔段、采空區(qū)的隧底穩(wěn)定性等。3.4預報的主要手段（1）隧道超前地質(zhì)預報主要方法隧道超前地質(zhì)預報應進行地質(zhì)復雜程度分級，確定重點預報地段，并遵循動態(tài)設計原則，根據(jù)預報實施工作中掌握的地質(zhì)情況，及時調(diào)整隧道區(qū)段的地質(zhì)復雜程度分級、預報方法和技術要求等。主要方法有：地質(zhì)調(diào)查法、物理勘探法（彈性波反射法、地質(zhì)雷達法、紅外探測法、瞬變電磁法、高分辨直流電法等）、超前鉆探法（地質(zhì)鉆、超長炮孔、孔內(nèi)攝影等）、超前導洞法（平行超前導洞、隧道內(nèi)超前導洞等）、地震探測、水力聯(lián)系觀測法等。各種預測預報法各有優(yōu)缺點，因此施工中必須采用綜合地質(zhì)預報手段，物探和鉆探相結合，由長至短，逐步細化，并參照設計單位提供的地質(zhì)資料，經(jīng)綜合分析得出相應的可靠性結論，從而有效地對施工進行指導。（2）隧道超前地質(zhì)預報設計前，應根據(jù)隧道的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、地質(zhì)因素對隧道施工影響程度及誘發(fā)環(huán)境問題的程度等，對隧道分段進行地質(zhì)復雜程度分級，為隧道地質(zhì)超前預報設計提供依據(jù)，不同級別的地段應采取不同的預報方法。隧道地質(zhì)復雜程度分為復雜、較復雜、中等復雜和簡單四級。根據(jù)地質(zhì)災害對隧道施工安全的危害程度，對工程進行地質(zhì)災害分級，將地質(zhì)災害分為A、B、C、D四個等級，采取不同的預報方案。3.5預報的操作要點（1）長距離超前地質(zhì)預報其預報距離為100m以上?？刹捎玫刭|(zhì)調(diào)查法、地震波反射法及100m以上的超前深孔鉆探等為主要手段的綜合預報，預報距離一般在掌子面前方100m以上，并根據(jù)揭示的情況進行不斷的修正。（2）中長距離超前地質(zhì)預報其預報距離為30～100m。在長距離預報的基礎上采用地質(zhì)調(diào)查法、彈性波反射法及30～100m的超前深孔鉆探等對掌子面前方30～100m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況作進一步的預報。（3）短距離超前地質(zhì)預報其預報距離為30m以內(nèi)。是在中長、長距離超前地質(zhì)預報的基礎上，以地質(zhì)調(diào)查法、彈性波反射法、電磁波反射法（地質(zhì)雷達探測）、紅外探測及30m以內(nèi)的超前短距離鉆探等手段的綜合預報。（4）綜合判析綜合判析是綜合超前地質(zhì)預報方法的中樞，它對所采用的各種預報手段獲得的資料進行歸納、分析、對比，提出最終預報結論和工程措施建議，指導施工。綜合分析探測報告，內(nèi)容包括工作概況、采用的各種預報手段及預報結果、相互印證情況、綜合分析預報結論、施工方法和施工技術建議。超前地質(zhì)預報的結果應體現(xiàn)出及時性，有異常情況時應及時通知施工單位和相關部門，使采取相適應的技術措施，組織正常施工生產(chǎn)。4.隧道超前地質(zhì)預報技術研究4.1超前地質(zhì)預報管理（1）蘭新高鐵甘青段隧道超前地質(zhì)預報的責任主體為各施工合同段，由具有實施超前地質(zhì)預報工作能力的施工單位或委托有經(jīng)驗的超前地質(zhì)預報專業(yè)化隊伍實施，并納入現(xiàn)場施工組織管理。（2）各施工單位在開工前應根據(jù)預報對象的特點和超前地質(zhì)預報方案設計，編制預報實施大綱并納入施工組織設計，按程序?qū)彶楹团鷾屎筘撠熃M織實施；應及時將超前地質(zhì)預報成果報監(jiān)理、勘察設計、建設單位，并對超前地質(zhì)預報成果及數(shù)據(jù)的真實性負責。（3）在設計勘測資料和理論分析的基礎上，應將超前地質(zhì)預測、預報作為隧道“信息化”施工的重要組成部分，并形成制度，做好預測記錄和分析總結，并根據(jù)隧道的長度和地質(zhì)情況采用適宜的預報方法。（4）隧道超前地質(zhì)預報是保證施工安全的重要技術手段，明確必須納入正常施工工序管理。地質(zhì)預報由地質(zhì)預報組負責，其它施工、質(zhì)檢人員予以配合，進行資料收集、統(tǒng)計、分析和編制信息預報成果，并報設計、監(jiān)理，為變更設計、修改施工方法等提供依據(jù)。成立專家組，依據(jù)綜合超前地質(zhì)預報各階段的預報資料，及時制訂各類施工技術預案，保證順利通過各類不良體。（5）實施動態(tài)設計，定期和不定期由建設、監(jiān)理、設計和施工單位論證和審查地質(zhì)預報組的預報成果和專家組的技術方案的可靠性和經(jīng)濟性。（6）創(chuàng)建隧道施工新程序：按設計實施超前地質(zhì)預報→配足預防措施（可能成災段）→措施效果檢驗→落實針對性應急預案→達標后開挖。（7）實施安全評審和高風險點開挖審批制度，在蘭新高鐵甘青段創(chuàng)建《高風險隧道開挖審批制度》；實施開挖安全評審，是切實將隧道超前地質(zhì)預報納入隧道施工工序的新型制度。（8）對隧道超前地質(zhì)預報實施紅線管理。①施工要為超前地質(zhì)預報讓路，避免盲目施工；②建立隧道超前地質(zhì)預報高壓線，實行預報一票否決制，嚴禁未經(jīng)批準、擅自無序開挖。③加強隧道超前地質(zhì)預報工作的技術交底，告知施工管理和作業(yè)人員，凡地質(zhì)預報及防災措施不到位，有權拒絕進洞作業(yè)。（9）建立隧道超前地質(zhì)預報臺賬。各單位指派專人建立、管理和關注臺帳，始終保持5～10m長的預報搭接長度，杜絕預報盲區(qū)，以防工作疏忽導致漏報而鑄成大錯。（10）明確控制要求和預置監(jiān)控重點：①預報手段是否按照設計要求配置齊全；②搭接長度是否滿足設計要求；③各種預報手段的實施數(shù)量、方法是否符合設計要求；④對預報發(fā)現(xiàn)異常，而又未落實預處理措施或處理效果不達標的工點予以堅決停工處理。4.2提高預報結果準確性的措施（1）超前研究隧道工程既有區(qū)域地質(zhì)、工程地質(zhì)資料，必要時進行地表補充測繪和勘探，對整個工程區(qū)域地質(zhì)情況做到較全面認識，分析主要地質(zhì)災害分布范圍，并以此為基礎制定預報方案。（2）超前地質(zhì)預報是勘察設計階段工程地質(zhì)工作的延續(xù)，應進行實際地質(zhì)狀況與設計的對比分析，總結經(jīng)驗教訓，不斷提高隧道工程地質(zhì)勘察質(zhì)量。超前地質(zhì)預報的結果應體現(xiàn)及時性，超前地質(zhì)預報實施單位應及時將預報成果報送有關各方。（3）對隧道進行地質(zhì)復雜程度分級，確定重點預報地段。就各種預報方法而論，其優(yōu)勢各異，建立綜合預報系統(tǒng)不可或缺。明確長距離探測以TSP為主，中長距離探測以HSP為主，短距離探測以地質(zhì)雷達和地質(zhì)素描為主，巖溶強烈發(fā)育地段增加紅外探水。在各種定性結論不相符或有矛盾時，及時增加超前鉆孔，直至查明為止。（4）隧道超前地質(zhì)預報可采用地質(zhì)調(diào)查與勘探相結合、物探與鉆探相結合、長距離與短距離相結合、地面與地下相結合、超前導坑與主洞探測相結合的方法，并對各種方法預報結果綜合分析，相互驗證，提高預報準確性。（5）地質(zhì)復雜的特長、長隧道和可能誘發(fā)重大地質(zhì)災害的隧道，采用“物探初判、鉆探準判、重大異常地段加密鉆探”的預報模式。做到多種手段、綜合探測、相互驗證、相互補充。力避手段單一化，特別是要高度重視超長炮孔和超前水平鉆孔對各種物探結果的驗證作用，如此方能最大限度地避免預報失誤。（6）實施針對性預報并不斷提高單項手段預報準確度。根據(jù)地質(zhì)災害的不同類型，充分結合各種預報手段的適應性和特點，采取不同的預報手段，做到因地制宜、重點明確，并與開挖揭示地質(zhì)加強核對、比較，持續(xù)提高單項預報手段的準確度，這也是提高整體綜合預報結果準確度的必由之路。（7）配備成套儀器，配置經(jīng)驗豐富的地質(zhì)、物探工程師及施工人員是提升預報質(zhì)量的基礎。（8）高度重視地質(zhì)調(diào)查的作用，掌子面地質(zhì)素描雖然提供的信息有限，但能定量分析，對確保施工安全發(fā)揮了重要作用，是必不可少的手段之一。因此，在隧道掌子面掘進中應予引起高度重視。（9）平導超前探測結果只能提供正洞參考，絕不能將平導同一里程的地質(zhì)揭示結果照搬至正洞，否則將帶來極高施工風險。此觀點在大坂山隧道出口段、大梁隧道斜井段和祁連山隧道施工中得到了充分印證。（10）在異?；虻刭|(zhì)復雜地段開挖前，必須采用超長炮孔或地質(zhì)鉆加密鉆探，直至探明為止。盲目開挖則可能帶來災難性后果，此種情形在陳家山隧道、大梁隧道和小平羌隧道施工中已得到體現(xiàn)。（11）不能只關注特長隧道、長隧道，中短隧道的超前地質(zhì)預報工作也十分重要，如小平羌隧道、張家莊隧道和上舊莊隧道的施工實踐已充分證實了此點。（12）高度重視對隧道開挖界面以外的隱伏災害體的探測管理，合理設置鉆探手段及角度驗算非常關鍵。小平羌隧道、照壁山隧道坍塌和祁連山隧道2#斜井淹井事件便是其典型實例。4.3工作感悟（1）將綜合超前地質(zhì)預報探測頻次及組合方法按地質(zhì)風險分級管理實施，預報目的更加明確。（2）長、中長、短距離相結合的超前地質(zhì)預報方式，大大提升了預報的效率和準確度。（3）地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、超前導洞法及物探法等多種預報手段的綜合探測、相互驗證的方法，為提升預報準確性提供了基礎條件。與國內(nèi)外同類成果相比更具有系統(tǒng)性、先進性。（4）防災作用突出。在蘭新高鐵高家山隧道、西寧隧道、陳家山隧道、大坂山隧道、大梁隧道、祁連山隧道等多座高風險隧道施工中，有效應用隧道綜合超前地質(zhì)預報技術，不但化解了地質(zhì)災害的發(fā)生，而且為提前制定正確的施工預案提供了可靠依據(jù)，為隧道實現(xiàn)安全、快速、高效施工提供了可靠保障。5.結語通過超前地質(zhì)預報技術在蘭新高鐵甘青段隧道中的技術研究，為避免隧道施工過程中可能誘發(fā)的重大的不良地質(zhì)或災害地質(zhì)的發(fā)生發(fā)揮了龍頭作用，為徹底落實風險隧道信息化設計與施工實施動態(tài)管理這一現(xiàn)代隧道建設技術提供了強有力技術支持，為復雜地段的專項施工方案及針對性應急預案提供了決策依據(jù)，確保了綜合方案的針對性。因此，只有真正落實好隧道超前預報技術，才有條件將“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全管理方針貫徹于隧道施工過程中。否則，所有的施工方案均可能缺乏針對性，必須引起高度重視。參考文獻：[1]相興華,鄧小鵬,王鵬.TRT在隧道地質(zhì)超前地質(zhì)預報的應用[J].地下空間與工程學報,2012,8(6):1282-1286.[2]曹小軍.TSP超前地質(zhì)預報系統(tǒng)在水平層狀砂泥巖黃土地區(qū)的應用[J].鐵道建筑,2011,(3):120-122.[3]薛翊國,李術才,蘇茂鑫,李樹忱,張慶松,趙巖,李為騰.隧道施工期超前地質(zhì)預報實施方法研究[J].巖土力學,2011,(8):80-82.[4]王剛,王