隧道信息化施工中综合超前地质预报技术

第25卷第6期岩石力学与工程学报Vol.25No.62006年6月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJune，2006收稿日期：2004–12–30；修回日期：2005–04–04基金项目：交通部重点科研项目隧道地质灾害超前预报子课题(2002/353–313–01)作者简介：曲海锋(1978–)，男，2000年毕业于石家庄铁道学院交通土建工程专业，现为博士研究生，主要从事公路隧道设计、优化及超前地质预报技术等方面的研究工作。E-mail：[e-mail]隧道信息化施工中综合超前地质预报技术曲海锋1，刘志刚2，朱合华1，3(1.同济大学地下建筑与工程系，上海200092；2.石家庄铁道学院土木分院，河北石家庄050043；3.同济大学岩土工程重点实验室，上海200092)摘要：超前地质预报技术是信息化施工管理中的重要组成部分，尤其对于某些重大工程，准确、及时的地质预报具有十分重要意义。国内外的学者不断地结合新工艺、新技术，对其进行了深入研究，并已经取得了一些重要的研究成果，例如TSP，GPR等地质超前预报方法等。然而，隧道工程师根据其中的任何一种预报方法仍然不能够获得满意的预报结果。以此为研究背景，结合地质灾害预报技术的研究课题，以地面地质调查法、地质雷达、TSP三种超前地质预报技术为手段，基于系统论的观点提出和建立综合地质预报方法和思想体系。首先，讨论当前隧道超前地质预报中主要存在的问题，分析目前几种流行预报方法的优缺点和局限性；其次，建立综合超前地质预报体系，详述其实现过程，即包括定性分析和定量分析两个阶段；最后，结合广仁岭公路隧道，验证该方法的预报精度达到95%以上。该方法与其他方法相比具有更高的精度和准确性、系统性和实用性。该研究旨在为重大隧道工程提供更加有效和科学的预报方法和分析方法，为隧道信息化施工管理技术提供有意义的参考和借鉴。关键词：隧道工程；综合地质预报方法；隧道信息化施工中图分类号：U452文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)06–1246–06TECHNIQUEOFSYNTHETICGEOLOGICPREDICTIONAHEADINTUNNELINFORMATIONALCONSTRUCTIONQUHaifeng1，LIUZhigang2，ZHUHehua1，3(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；2.CollegeofCivilEngineering，ShijiazhuangRailwayInstitute，Shijiazhuang，Hebei050043，China；3.KeyLaboratoryofGeotechnicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)Abstract：Techniqueofgeologicalpredictionaheadisoneoftheimportantpartsintunnelinformationalconstruction，especiallyforimportantprojects，itisverysignificantwithaccurateandinstantaneousgeologicalprediction.Manyhavebeenstudiedfromdifferentangleswithnewtechniquesandmethods.Lotsofmethodshavebeenacquiredsuchasgroundpenetratingradar(GPR)andtunnelseismicprediction(TSP).However，engineerscannotobtainsatisfiedresultsfromsinglepredictionmethod.Basedonthisbackground，geologicalpredictiontechniquesarediscussedandstudied.Andthen，accordingtogroundgeologicsurvey，GPRandTSP，asyntheticgeologicpredictionmethodisputforward.Theproblemssuchasinaccurateandevenimpropergeologicalprediction，whichwerefoundduringgeologicalprediction，arediscussedandthemeritsandweaknessesofthe第25卷第6期曲海锋等.隧道信息化施工中综合超前地质预报技术•1247•threemainmethodsareanalyzed.Thesyntheticpredictionmethodisdiscussedindetail.Andthentherealizationprocessisputforward.Finally，theapplicationofthesyntheticgeologicalpredictionmethodtothegeologicalpredictionaheadofGuangrenlingtunnelisillustrated.Twofaultsareforecastedsuccessfullyandtheprecisionreaches95%.Keywords：tunnelingengineering；syntheticgeologicalpredictionmethod；tunnelinformationalconstruction1引言地质超前预报是隧道信息化施工中的重要组成部分。它的成功与否，关系着隧道能否安全施工，以及施工期间围岩的准确评定。但是，实际的工作中，由于技术水平以及管理水平的原因，预报并不精确，没有真正发挥超前地质预报技术的优势，因此，如何有效成功地进行超前地质预报工作，是目前关心的主要问题[1，2]。本文结合某高速公路隧道超前地质预报及地质灾害防治研究项目，对公路隧道工程信息化施工中的超前预报技术进行了深入分析与探讨，建立了综合地质预报方法的思想体系。实践证明：该方法能够做到准确性与及时性的统一，为重大工程中的预报工作起到抛砖引玉的作用。2综合超前地质预报方法2.1综合超前地质预报方法的提出目前，常用的预报方法有：地面地质调查法、地质雷达、TSP等。受各种条件的限制，不同的地质超前预报方法有各自的优缺点。地面地质调查法是长期超前地质预报方法。它是运用地下地表构造的相关性原理，对隧道周围的不良地情况进行宏观和较为粗略的预报，预报距离可以达到200m以上。它有可靠的理论基础，适用性强，成本低，但仅靠有限之“见”难以预报较大范围内的地质情况，特别是在地层岩性变化极为复杂(如强烈褶皱地层)的隧道中预报的难度很大[3]。地质雷达是短期超前地质预报方法。它分辨高、无损伤、探测和数据处理快、机动灵活，但其预报距离较短，只能预报掌子面前方10～30m以内。而且很难克服施工隧道内的干扰因素，影响探测成果的准确性，而较准确预报距离往往只有十几米[4，5]。TSP是长期超前地质预报方法之一。它利用地震波在不均匀地质构造中产生的反射波特性来准确预报隧道施工前方150ｍ范围内的地质条件和岩石特性变化；同时，还可以提供杨氏模量、泊松比等岩石力学参数，也可预测围岩级别，从而更清晰地反映前方的地质状况，为信息化施工顺利进行奠定基础。现在TSP已经被国内外广大技术人员和工程单位广泛采用[6]。但它探测费用高；对隧道施工有细微干扰；受探测人员专业技术水平限制；存在多解性特点。在探测成果图中，断层、节理、软弱岩层界面，都以相近的异常带形式出现，差别甚小，在经验不足或解释水平不高的情况下很难区分。从以上3种方法及目前国内外情况可知，各种方法都有优缺点，但提高预报的准确性和及时性仍是国内外隧道工程地质界需要解决的技术难题。因此，有必要提出一种新的预报手段，提高预报精度，及时有效指导隧道施工，完善信息化施工技术。综合预报手段是以上述3种预报方法为基础，以系统科学理论为指导，配合科学的信息化管理技术，建立起来的预报手段。它联合以上2种或3种预报方法，根据其获得的信息，建立该隧道的工程信息数据库，利用反映介质相同或相似特性的不同方法之间的综合解释，最大限度地消除解释的非唯一性，推断以及分析前方的不良地质情况；同时它能够根据跟踪预报的结果及时的提供预测信息，从而为重大隧道工程提供理想的预报效果。综合超前地质预报方法流程如图1所示。2.2综合超前地质预报方法的实现2.2.1隧道系统科学理论把隧道及其周围地质环境看作一个系统，隧道、断层以及其他的不良地质体是系统内的要素。这些要素之间相互联系、相互作用，构成统一的整体。对于此系统，研究和分析时遵循以下原则：整体性原则，即从整体出发，认清要素之间的非加和性关系；动态性原则，即把系统看成是动态的“活系统”，其中一个要素发生变化，其他要素必然要改变(如断层未及时得到处理时，由于地下水或溶洞的存在，•1248•岩石力学与工程学报2006年图1综合超前地质预报方法流程图Fig.1Flowchartofsyntheticgeologicpredictionmethod就可能发生涌水现象，导致要素发生质变)；最优化原则，即解决问题时，统筹兼顾，大力协同，达到时间、空间、效益等方面的最佳(如当探测到前方是高应力软岩的情况，开挖后隧道的变形无法阻止，这是时可以不采取支护措施，使其继续发展，直到变形逐渐变缓为止)。它采取思维方式是由总到分、由粗到细的原则。综合超前地质预报方法采用定性和定量两种方法相结合，避免重大的地质灾害发生，保证施工和支护安全。定性分析指通过开挖隧道洞内和洞外地表地质现象的观察与测量，对各种地质现象进行绘图或素描等的定性分析。定量分析方法指通过隧道施工的现场探测和监测，对量测结果进行数理处理与分析，得到不良地质体的位置，或者建立隧道施工模型进行有限元分析。2.2.2定性分析首先采用地质地面调查法对隧道涉及的区域进行总体预测，针对较大节理和断层采用掌子面编录及地质素描进行较为细致的调查。本阶段主要采用地质填图法和地面地质界面和地质体投射技术。前者采用的主要技术手段有穿越、追索和全面踏勘3种。后者主要是确定地表地质界面投射法及投射公式。这一阶段需要获取的信息包括：岩层走向、倾角等主要地质界面的产状、主要不良地质体的产状以及与隧道轴线之间的方位关系。本阶段最终目的是：查明地层层位、层序、岩性及岩层组合，建立隧道经过区域的地层柱状图；校正已有地层分界线、特殊岩层和岩浆岩与围岩接触界线、断层线等构造线与地质平面图上隧道隧洞中线之交点的大概位置；确定层、特殊岩层和其他不良地质体与地质平面图上隧道隧洞中线之交点的大概位置；估测岩层、断层面和其他重要地质界面的产状。获得初步的信息后，根据此信息在适当的位置布置TSP，开展掌子面前方150～200m距离的探测。通过探测，主要获得如下的信息：确定前方不良地质体类型，如断层、溶洞或地下水等；确定这些不良地质体的大概规模、产状和方位；确定其与隧道轴线相交的位置和夹角，获得地震波的S波、P波波速，确定该段岩石的泊松比、动态弹性模量等岩石物理力学参数。最后以TSP探测所获得的信息为指导，采用地质雷达，展开精确探测。这一阶段主要获得的信息是：电磁波在岩石介质中横波与纵波波速，电磁波在岩石介质中反射信号(即回波信号)的时频特征和振幅特征，通过分析，便能了解地层的紧缺特征信息(如介电常数、层厚、空洞等)。本阶段最终目的是确定精度在2m以内的不良地质体位置和规模。2.2.3定量分析根据定性分析的结果，初步确定不良地质体的类型和大致范围，利用公式计算出其具体的位置和范围；或者选用通过各种仪器获得的参数，使用各种有限元软件分析围岩变形或介质