浅析隧道施工地质超前预警方法

摘要：建立隧道施工地质灾害预警是减少和避免因地质灾害造成财产损失、人员伤亡的有效办法。本文分析隧道施工地质灾害的类型、预警的必要性，以及建立隧道施工地质超前预警的有效方法。

关键词：隧道施工；地质灾害；超前预警

随着经济的飞速发展，大量山区交通建设都采用长大隧道方式通过越岭地段，特别是在我国西南部，如云南省地处云贵高原，大部分地区位于西南横断山脉地带，沟谷纵横，山高谷深，地势陡峻，这给公路隧道的建设和发展提供了有利条件。还有地铁，过江和海底隧道的建设等等。由于隧道施工及运营将穿越不同地层地质条件下的围岩介质，从而将不可避免的遇到山体变形、地震、塌方、涌水、岩溶塌陷、岩爆、泥屑流、高地温、瓦斯爆炸及有害气体突出等地质灾害， 其中以涌水最为普遍和严重。除此之外，隧道施工开挖工作面前方地质情况的预报是国内外工程地质和隧道工程界关注而又没有得到很好解决的难题。实践证明在隧道施工中开展灾害预测预报技术能极大的减少塌方突水突泥等不良地质灾害，既可保证施工的顺利进行，又能极大的降低成本，故其在隧道施工中非常重要且十分必要。

一、析隧道施工地质灾害的类型

1、固体地质灾害

①岩爆

岩爆是高地应力区的地下工程在开挖过程中或开挖完毕后，围岩因开挖卸荷发生脆性破坏而导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放且产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。其直接威胁人员、设备安全，影响工程进度，已成为地下工程世界性难题之一。近几十年来，国内外在岩爆预测方面作了大量的研究工作，提出了一系列的理论和方法，如失稳理论、强度理论、能量理论、断裂损伤理论和突变理论等；并采用了数值分析方法、模糊数学综合评判方法、分形几何法和人工神经网络法等。岩爆预测的目的是为岩爆防治提供可能发生的位置、烈度等信息。然而，由于岩爆预测问题的复杂性，到目前为止还没有哪一种理论或方法能准确地预测岩爆，满足工程建设的需求。

②软弱围岩塌方

a、地壳在构造运动的作用下，薄层岩体形成小褶曲，错动发育地段，隧道施工从此处通过，常发生塌方。b、隧道穿过断层及其破碎带，一经开挖，潜在应力释放，承压快，围岩失稳而塌方。c、通过各种堆积体时，由于结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起塌方。d、隧道穿过浅埋或隧道进出口附近，围岩自稳能力差或受偏压影响，开挖中引起坍塌。e、岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体，在地下水的作用下，软弱面的强度大大降低，因而发生塌方。f、地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用，加剧岩体的失稳和塌方。g、围岩比较差、断层或节理面呈楔型状态，构成不利组合，在内应力或地下水的作用下，产生突然塌方，这种塌方是最不易观察和发现的，也是比较危险的。

2、准流体地质灾害

围岩大变形表现为深埋高地应力条件下的挤压松弛型变形，即深埋、挤入、 松弛产生了大变形，变形量较大，变形速率初期小，随着时间的推移而逐渐增大，而后又变小再趋于稳定。千枚岩夹板岩地段有囊状、窝状地下水，围岩大变形表现为深埋高地应力条件下的松弛挤压型变形，即深埋、 松弛、 挤入产生了变形，变形量比断层带的变形量小；变形速率初期大，随着时间的推移而逐渐减小，而后趋于稳定。

3、流体地质灾害

这种类型的地质灾害包括有涌水、高温热害、有害气体等，如高温热害，由于隧洞埋深较大，尚不能排除部分洞段出现 30 ℃左右地温以及局部地段存在更高地温的可能性。

二、隧道施工超前预报的方法及适用条件

1、地面地质调查法

通过对隧道范围内进行大规模详细的地质调绘，确定各岩组的地层层序、 厚度、标志层位置，结合沉积韵律，建立标准地层剖面，对地质构造进行追踪调查后，根据施工进展情况，展开有针对性的地质调绘，详尽地核对细化的勘测设计资料，在不同位置实测构造面产状，获取构造的性质、规模、范围等第一手资料，经过施工单位联测将构造位置在图上定位，利用地质作图法，把构造投影到洞身位置，在作图过程中考虑构造面的变化规律进行修正、具体作法如下：根据构造线产状将其放到洞顶，将真倾角换算成视倾角，通过计算，获取在洞身出露里程。

通过计算，获得构造线在隧道某一位置的具体里程、范围及延伸方向。本方法适用于隧道施工前期及施工过程中判断隧道地质稳定性程度，提出施工对策。

2、地质素描法

地质素描是对已开挖掌子面的地质状况在现场作实地调查，并进行详细编录，采集必要的数据。具体包括对掌子面地层岩性、节理发育程度、受构造影响的程度、围岩稳定状态等进行详细编录，实测岩层产状、节理产状及间距 微构造产状、断层面产状及规模等，分段测绘统计分析岩体各种参数，进行掌子面的工程地质评价，作出掌子面断面图，再据其作出常规预报展示图和分段预报通知书。

根据隧道岩层的倾角，结合标准地层剖面确定岩层层位， 采用公式计算， 预测预报某一软弱岩层在洞身的位置，并根据其稳定性提出施工措施建议。该方法 对掌子面前方的地层岩性空间具置预测是十分准确的。

3、综合物探测试法

在地质超前预报的过程中可采用多种物探测试方法：

①采用SE1243PEN型综合工程探测仪进行负视速度法测试。该方法的原理是根据声波在不同介质中传播速度及能量的变化来预测前方的地质情况。该方 法是利用 8～1 2个检波器在不同位置同时接收同一个震动源(放炮)在介质中传来的声波，并且把接收到的声波变化记录到计算机内，通过计算机的处理及后期 判释工作来预测的，同时也可将前方围岩的纵波波速测出，根据纵波波速给出围岩类别。

②采用 RAMAC-11型地质雷达进行的地质雷达法测试。

③采用浮点动测仪进行高密度地震法测试。

④采用WDJD-1电法仪进行电法测试。

这些方法适用于与其他方法对比分析。结合地面地质调查及掌子面地质素描的情况，进行综合分析对比，预测掌子面前方地质情况。

4、超前导坑法和水平钻机超前探测法

超前导坑法比较直观，精确度高。采用上导坑开挖地段也较多，因此在上导坑进行预报工作是十分重要的。在上导坑采用地质素描、地质作图等手段，在图 解分析基础上对小掌子面及全断面前方的地层、岩性地质构造、水文地质情况进行地质超前预测。

根据小导坑出露的地质情况，通过编录、作图、计算等正确预报大断面的地质情况，使施工单位可在主 隧道开挖断面达到不良地段之前采取相应的支护措施。

水平钻机超前探测法是通过水平钻机在掌子面进行钻探、采取岩芯等工作， 了解前方地质条件。但对施工干扰较大，适用于探测前方严重的突水突泥段。

这两种方法适用于有条件或进一步需详细了解隧道开挖位置前方地质及水文地质情况，采取的相应措施。

5、有害气体的预测方法

有些隧道通过区地层为煤系地层，为了使施工顺利安全进行，采用沼气一氧气两用报警仪，在隧道进行长期跟踪量测，采取数据，进行预报，根据数据的积累统计分析，对掌子面前方的有害气体进行预测，为隧道安全施工提供科学依据。

在坑道开挖时，工作面上瓦斯量超过1．0％，就不准放炮； 超过 0．2％， 人员就要全部撤出工作面。 一般主风流处瓦斯含量不得超过 0．5％，总回风风流处不得超过 0．75％。

三、结束语

根据经验铁路隧道施工中，多座隧道超前预报结果表明其具有实效性好、准确度高等特点。而且地质超前预报准确率受施工单位配合程度影响较大，应把该项工作纳入施工工序，施工单位应与设计预报人员密切配合，就会在隧道建设中显现其优越性，达到防灾减灾的目的。

参考文献：

[1]王石春．隧道施工地质超前预报探测中的地质作用[J]．铁路地质与地基，2009. [2]吴治生．南岭隧道的地质超前预报及体会[J]．铁路地质与地基，2010.