中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
前言：當(dāng)前我國正在進(jìn)行大規(guī)模的水利水電、鐵路和公路工程建設(shè)，需要修建大量的隧洞和洞室，而投入合理的超前預(yù)報(bào)技術(shù)將在減少和消除地下工程的災(zāi)害發(fā)揮巨大作用。物探方法是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中不可缺少的手段，綜合其他方法為更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)提供服務(wù)。
關(guān)鍵詞：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，物探方法，TSP
中圖分類號：P62文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
物探方法是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法中的一種，通過儀器設(shè)備對隧道開挖工作面前方的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)、位置、產(chǎn)狀、規(guī)模等進(jìn)行探測，結(jié)合水平鉆探等方法綜合分析判釋及預(yù)報(bào)，并提出措施建議。
1.常用超前預(yù)報(bào)物探方法
隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)物理勘探法：包括彈性波反射法（地震波和聲波法）、電滋波反射法、紅外探測、電法、放射性監(jiān)測等。用爆破、激振裝置等手段產(chǎn)生彈性波或用儀器發(fā)射電磁波，對不同界面反射回的波形進(jìn)行分析，預(yù)測、預(yù)報(bào)隧道前方的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況，其占用隧道循環(huán)時(shí)間較少，常用的物理勘探方法有彈性波法、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)、紅外探測法、BEAM法等，其中彈性波法包括TSP、地震負(fù)視速度法、TST、水平聲波剖面法(HSP)、TRT、陸地聲納法及面波法。
2.主要物探方法
1）地震波反射法
①方法原理
地震波反射法利用人工激發(fā)的地震波在不均勻地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報(bào)隧道開挖工作面前方地質(zhì)情況，屬多波多分量探測技術(shù)，適用于劃分地層界線、查找地質(zhì)構(gòu)造、探測不良地質(zhì)體的厚度和范圍。該方法根據(jù)探測裝置布設(shè)與采用設(shè)備的不同又分為3種常用預(yù)報(bào)系統(tǒng)：TSP203（Tunnel Seismic Prediction，瑞士）、TGP206（Tunnel Geology Prediction，國產(chǎn)）及TRT6000（Tunnel Reflection Tomography，美國）。
TRT6000勘測成本低，操作簡單，結(jié)果準(zhǔn)確、全面、直觀，代表隧道超前預(yù)報(bào)領(lǐng)域最新領(lǐng)先的技術(shù)，是隧道超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展的方向， 表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
a）一般可使用錘擊作為震源，可重復(fù)利用，不需要耗材，成本較爆炸震源低廉。
b）采用高精度的傳感器和無線傳輸技術(shù)，靈敏度高，最大程度地保留了高頻信號，提高了精度及探測距離（硬質(zhì)巖中為300m，軟質(zhì)巖中為150m）。
c）傳感器布點(diǎn)采用立體布點(diǎn)方式，在隧道兩邊分別布置4個(gè)傳感器，然后在隧道頂上布置兩個(gè)傳感器，從而獲得真實(shí)的三維立體圖，直觀的再現(xiàn)了異常體的位置、形態(tài)、大小。
d）采用了層析掃描的圖像處理方式，繪制三維視圖，可以從多個(gè)角度觀察缺陷，使得圖像更加清晰，易于理解，從而更加輕松地進(jìn)行缺陷診斷。
①有效探測距離要求：地震波反射法連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)前后兩次應(yīng)重疊10m以上，每次預(yù)報(bào)距離100～150m。軟弱破碎地層或巖溶發(fā)育區(qū)，每次預(yù)報(bào)距離應(yīng)為100m左右；巖體完整的硬質(zhì)巖地層每次可預(yù)報(bào)150m或以上。
②資料分析要求：數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)對每一炮的波幅進(jìn)行調(diào)節(jié)，記錄不好或存在干擾時(shí)應(yīng)重新放炮；對采集的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行三維波場處理，提取反射界面；對所采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后，以P波剖面資料為主對巖層進(jìn)行劃分，結(jié)合橫波資料對地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。
③達(dá)到目的：通過地震波反射法，可以得出隧道開挖面前方圍巖的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，特別是影響施工方案調(diào)整、具有安全隱患的地質(zhì)條件，如軟弱夾層、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶等地質(zhì)體的性質(zhì)、規(guī)模和位置等；結(jié)合巖體物理力學(xué)參數(shù)、圍巖軟硬、含水情況、構(gòu)造影響程度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況等資料，對圍巖情況進(jìn)行初步評估。
2）地質(zhì)雷達(dá)法
地質(zhì)雷達(dá)探測預(yù)報(bào)屬于電磁波物探技術(shù)，是利用電磁波在隧道開挖工作面前方巖體中的傳播及反射，根據(jù)傳播速度和反射脈沖波走時(shí)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一種物探方法。主要用于巖溶探測，亦可用于斷層破碎帶、軟弱夾層等不均勻地質(zhì)體的探測。
地質(zhì)雷達(dá)在完整可溶巖地段預(yù)報(bào)距離宜在30m以內(nèi)，在巖溶發(fā)育地段的有效探測長度則應(yīng)根據(jù)雷達(dá)波形判定。連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)前后兩次重疊長度應(yīng)在5m以上。
3）紅外探測
地下水的活動會引起巖體紅外輻射場強(qiáng)的變化，利用紅外線進(jìn)行超前探水是目前較為先進(jìn)的一種地下水探測預(yù)報(bào)方法，能夠定性確定一定深度（20m-30 m）范圍地層中含水的部位和類型，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于地下工程施工中的地下水探測。該方法測量快速，與施工干擾小，有較高的定性判別準(zhǔn)確率；但無法預(yù)報(bào)水量和含水體具體前方位置等定量指標(biāo)。
①紅外線超前探水法的原理
任何物體都會發(fā)射出紅外線，形成一個(gè)紅外場。將一個(gè)穩(wěn)定的質(zhì)體作為探測對象的場源時(shí)，由該物體所形成的紅外場的強(qiáng)度與場源本身的場強(qiáng)相一致。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體中含地下水，那么地下水場源產(chǎn)生的紅外場會對地質(zhì)體場源所產(chǎn)生紅外場產(chǎn)生影響，使其場強(qiáng)發(fā)生變化。地質(zhì)體所形成的紅外場場強(qiáng)變化可用紅外線探測儀探測。根據(jù)圍巖紅外場強(qiáng)的變化來預(yù)報(bào)掌子面前方或洞壁四周是否隱狀含水體。
②紅外線超前探水法的測線布置
在隧道施工中，主要通過探測掘進(jìn)掌子面巖體場強(qiáng)的變化差異值，和隧道開挖段圍巖場強(qiáng)沿縱向的變化規(guī)律，來推斷前方是否為隱伏含水構(gòu)造體，有無發(fā)生突涌水的可能。
③掘進(jìn)掌子超前探水的測線布置
掘進(jìn)掌子面場強(qiáng)測點(diǎn)布置，應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)掌子面的大小，將掘進(jìn)掌子面劃分為若干個(gè)區(qū)域，一般情況下，將掘進(jìn)掌子面劃分為9個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)定1個(gè)測點(diǎn)。
沿已開挖隧道邊墻縱向進(jìn)行測點(diǎn)布置時(shí)，分別在拱頂、兩側(cè)邊墻上各布置一條測線。從掘進(jìn)掌子面開始，向已開挖方向（背離掘進(jìn)掌子面方向），每間隔1m~5m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)數(shù)不少于12個(gè)。
④使用環(huán)境條件
溫度：00C~＋400C濕度：應(yīng)不大于80％。在潮濕環(huán)境工作不應(yīng)超過8小時(shí)。大氣壓力：（0.8~1.1）×105Pa。無腐蝕性氣體和強(qiáng)電磁場干擾。
⑤紅外線超前探水法的判據(jù)
a）根據(jù)掘進(jìn)掌子面場強(qiáng)差異進(jìn)行超前探水的判據(jù)
通過對比分析掌子面各測點(diǎn)的場強(qiáng)，判定掘進(jìn)掌子面是否存在含水構(gòu)造體。根據(jù)以往測試經(jīng)驗(yàn)，判譯標(biāo)準(zhǔn)一般設(shè)定為：當(dāng)掘進(jìn)掌子面測點(diǎn)中最大場強(qiáng)和最小場強(qiáng)的能量差大于等于10W/cm2，可判定前方存在含水構(gòu)造體，否則不存在含水體構(gòu)造。
b）根據(jù)隧道走向與場強(qiáng)曲線進(jìn)行超前探水的判據(jù)
建立各測點(diǎn)的場強(qiáng)（y軸）與測點(diǎn)到掘進(jìn)掌子面的距離（軸）的函數(shù)關(guān)系，并繪制出函數(shù)圖形，根據(jù)函數(shù)圖形特征進(jìn)行超前探水預(yù)報(bào)。如果函數(shù)圖形為一水平直線，表明掌子面前方不存在含水構(gòu)造。
如果函數(shù)圖形為一斜線，表明掌子面前方存在具有含水構(gòu)造的可能性，需要進(jìn)一步探測。如果函數(shù)圖形開始部分存在階躍突變，后部為水平或斜線，表明掌子面前方存在含水構(gòu)造。
結(jié)論：地質(zhì)體是復(fù)雜的綜合體。企圖用單一方法查明隧洞的全部地質(zhì)條件是不可能的，因此應(yīng)采用物探方法、水平鉆探等綜合預(yù)報(bào)方法，查明隧道掌子面前方空間分布情況。根據(jù)地質(zhì)條件的差異和不同精度要求，適時(shí)選用若干種方法相互補(bǔ)充和印證，才能獲得良好效果。
參考文獻(xiàn)：
（1）《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南》（鐵建設(shè)〔2008〕105號）；
（2）《鐵路工程物理勘探規(guī)范TB10013-2010》
（3）《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)
