地铁隧道超前地质预报综合施工技术

地铁隧道超前地质预报综合施工技术

李荣旭

中国建筑第二工程局有限公司北京分公司北京100160

【摘要】：通过作者工作经验，并结合他人研究成果，较为全面的分析了几种超前地质预报方法的优缺点。旨在分析几种常用方法的基本原理，探究常用隧道超前地质预报方法的适用性，青岛地铁八号线出入线隧道应用情况表明，红外探水对探明地下水效果较好、孔内取像对距离掌子面较近范围内地质预测效果较好、地质雷达适用范围广且效果较好。

【关键词】：红外探水；加深炮孔；水平地质钻；孔内取像；地质雷达；适用性

1引言

随着社会经济的发展，城市地铁工程的建设规模和速度不断推进，深埋、超特长隧道的建设将越来越多，隧道地质条件也将越来越复杂。因此，超前地质预报的研究与发展并为隧道安全、快速施工提供技术保障，具有极大的工程价值和社会意义[1]。

目前隧道超前地质预报工作所采用的方法手段主要分为地质分析方法和地球物理探测方法[2].地质分析法包括掌子面地质编录、超前平导法、红外探水、孔内取像、加深炮孔、水平地质钻等，地球物理探测法包括有波反射法、电阻率测试法等，其中应用较多的有地震波反射法、电磁波反射法、电阻率测试法。下文将对红外探水、加深炮孔、水平地质钻、孔内取像、地质雷达进行介绍。

2常用隧道超前地质预报方法基本原理

2.1红外探水

红外探测技术是通过探测前方一定范围内的红外辐射场的变化，即通过探测仪显示出红外辐射温度的变化。将稳定的地质体作为探测对象时，得到红外场的强度与场源本身的场强相一致。如果前方地质体存在地下脉状流、脉状含水体或隐伏含水体等异常现象，其辐射出来的异常场将叠加在正常辐射场上，则在探测数据上会出现畸变。因此通过对采集到的红外场强数据进行分析，就可以全面地预报隧道前方的不良地质体，尤其是含水体[3]。

红外探水主要特点：操作和数据处理方法简单；探测快速便捷，对结构无损伤；不影响施工；对含水体敏感，精度高，结果可靠；预报费用低，符合经济型。然而，红外探水技术有干扰因素多，无法得出含水体距离和水量等等缺点[4]。

2.2钻探法

加深炮孔法是利用风钻在隧道开挖工作面钻小孔径孔获取地质信息的一种方法，适用于各种地质条件下隧道的超前地质探测。工作时持续观察并记录各钻进段的返渣颗粒大小、硬度、岩性，冲出液的颜色、气味、反水量的大小及其变化特征，瓦斯及其他气体涌出情况，钻头磨损情况，钻进操作的难易程度以及是否有跳钻、卡钻、坍孔等异常情况。钻进结束后结合钻机自带记录系统记录下的数据信息进行综合分析，推断掌子面前方孔身附近一定范围内各段的岩体地质特征、地下水发育特征及不良地质体赋存情况等。

水平地质钻是隧道开挖超前探测直接的预报手段。该法可获得工作面前方一定距离的岩芯，也可由钻孔出水情况判断前方有无地下水和前方何处有地下水，从而可以得到开挖面前方的地质情况。该法是施工预报有效方法之一，但也存在不足之处：

①对垂直隧道轴线的地质结构面预报效果较好，与隧道轴线平行的结构面预报较差；

②需占用较长的施工作业时间，费用较高。

2.3孔内取像

孔内取像技术主要利用管道内窥镜对加深炮孔孔内围岩状况比较直观的观察判定围岩性质，弥补可加深炮孔无法取芯的缺点，效果良好、直观。管道内窥镜早已在其他领域广泛应用，可用于通风管道、空调管道、水管、工业管道内部焊缝、腐蚀、堵塞、差异、异物等情况视频检测。

2.4地质雷达

地质雷达是基于电磁波反射理论的代表仪器。由于介质对电磁波的吸收作用，天线发射的电磁波在传播过程中将发生衰减直至消失。天线接收到的反射电磁波经传输电缆传到雷达主机显示并存储，利用专门的波形处理软件对所接收到的反射信号进行转换和放大等处理，可得到反射信号的时深曲线，以及反射波的幅频特性、相位等信息，结合电磁波勘探原理及现场基本地质情况可推断掌子面前方围岩的电性界面特性以及相关地质特性等。

3工程案例应用分析

河套停车场出入线矿山段YRSK0+594～YRSK0+569段预报实例：

在整个施工过程中始终以地质分析为核心，预报时先采用预报距离较长的地质雷达进行宏观预报，再结合探测预报结果所划分的重点段落采用预报距离较小的孔内取像进行验证，可能有水区域采用红外探水加以验证。施工过程中持续跟进开挖地质编录，以实际开挖地质情况检验预报的吻合度，并不断总结经验，指导后续工作更好开展。

首先进行掌子面地质调查及编录，探测区域围岩为砂质结构，层状构造，具水平层理，节理、裂隙稍发育，岩芯呈柱状，锤击声脆，不易碎，掌子面较干燥，无渗水点。

在该开挖掌子面进行地质雷达超前地质预报，采用点测的方式。在微风化凝灰岩中能测深度为23米左右。测量时，天线紧贴岩逐点移动。测量结果如下图所示：

从测线解译图中可以看到，掌子面前方前部区域约1-4米处围岩节理裂隙发育较多，围岩较破碎，裂隙水发育较少，前部区域至中部区域约4-14米处围岩较破碎，存在较多泥质含量，中部区域约14米左右开始至后部区域整体微小节理裂隙发育非常严重，中间区域至右侧区域为较大规模岩石破碎带，整体泥沙含量较大。

结合掌子面地质描述，综合推断预报区段内前部区域约1-4米处围岩较破碎，节理裂隙发育较多，前部区域至中部区域约4-14米处围岩较破碎，中部区域约14米左右开始至后部区域整体微小节理裂隙发育非常严重，中间区域至右侧区域为大规模岩石破碎带，整体泥沙含量较大。

为验证地质雷达测试结果，对掌子面又采用了红外探水和孔内取像技术。红外探水数据处理结果可以按下图进行判定。曲线为图（a）说明隧道掌子面前方探测范围内出现大规模含水体可能性很小，图（b）说明隧道掌子面前方探测范围内可能出现含水体，图（c）说明隧道掌子面前方探测范围内存在含水体。

4结论

各种隧道超前地质预报方法都有其优缺点和适用性，地质编录适用于所有开挖隧道；红外探水对含水体敏感，精度高，结果可靠但其干扰因素多，无法得出含水体距离和水量；加深炮孔可以比较直观的勘探地层岩性、岩体强度和完整性，但其作业时需停止掌子面开挖施工，且钻探时间较长，预报成本较高，一般在不良地质段采用；水平地质钻预报结果更准确、可靠，但由于其作业时间更长，延误的工期大，预报成本高，一般需要对某些特殊段进行精细预报时采用；孔内取像可以比较直观观测孔内围岩岩性和完整度，可以弥补加深炮孔无法取芯的不足，但其作业时同样影响掌子面开挖，一般只在围岩较差时采用；地质雷达探测是目前适用范围广且探测效果较好的超前地质预报方法。

参考文献：

[1]刘阳飞.超特长隧道综合超前地质预报工法研究与应用[D].成都：成都理工大学，2016.

[2]李天斌，孟陆波，朱劲，等.隧道超前地质预报综合分析方法[J].岩石力学与工程学报，2009,28（12）：2429-2436.

[3]吕乔森，罗学东，任浩.综合超前地质预报技术在穿河隧道中的应用[J].隧道建设，2009,29（2）：189-193.

[4]康海波，郭新明，陈先国，等.红外探测技术在岩溶富水公路隧道中的应用[J].公路交通科技，2014（5）：182-184.