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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(píng)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)。
新聞資訊
橋梁定期檢測報(bào)告有效期
更新時(shí)間：2021-04-10 17:51
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1、引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)展，公路、鐵路隧道的大量修建是形勢發(fā)展的需要，且隧道逐漸向深埋、長大方向發(fā)展。較之以前的淺埋短隧道，深埋長隧道可能遇到的工程地質(zhì)問題及地質(zhì)災(zāi)害會(huì)更多、更嚴(yán)重。在施工過程中經(jīng)常會(huì)因遇到斷層、暗河、破碎帶、等不良地質(zhì)體而導(dǎo)致塌方、泥石流、涌水、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害。這些災(zāi)害的出現(xiàn),往往會(huì)影響施工進(jìn)度,造成人員傷亡,給施工單位、國家和人民帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道地質(zhì)工作調(diào)查的一個(gè)重要部分。隧道地質(zhì)調(diào)查工作（尤其是長大山嶺隧道與水下隧道）與其他工程的地質(zhì)工作有一個(gè)很大的不同之點(diǎn)，就是其他工程（例如路基橋基等工程）絕大部分地質(zhì)工作都是在勘測階段完成，在施工過程中只進(jìn)行少量的補(bǔ)充修正。而隧道工程的地質(zhì)工作，在勘測階段往往只能完成一部分，只能起到定性的或局部定量的評(píng)價(jià)，還有很大一部分地質(zhì)工作，必須在隧道施工過程中，在隧道坑道進(jìn)行勘探及量測，以便修正補(bǔ)充精密調(diào)查與施工中地質(zhì)情況不符的地方，據(jù)此變更設(shè)計(jì)、改變施工方法及施工管理等。由此可見,超前預(yù)報(bào)工作在隧道工程中的地位和作用都是十分重要的。
2、隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)狀
隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的內(nèi)容主要包括地下水、地層巖性、斷層、破碎帶、節(jié)理、巖體類別等。重點(diǎn)是預(yù)報(bào)破碎帶、地下水狀況及斷層的位置及其可能對(duì)施工造成的影響。目前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)使用到的方法技術(shù)主要包括以下幾種：TSP法、探地雷達(dá)法、工程地質(zhì)調(diào)查與推斷、水平鉆探等，另外還有一些不常用到的方法技術(shù)如：水平聲波剖面法、紅外探水法及陸地聲納法等。
TSP法作為一種長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法已發(fā)展成為國內(nèi)外最先進(jìn)的預(yù)報(bào)方法。它主要是采用回聲測量原理，具有其他方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣、預(yù)報(bào)距離長、與TBM施工干擾少,能加快施工進(jìn)度，能給出斷層帶和含水層的三維空間位置，TSP技術(shù)配備有功能強(qiáng)大的后處理功能,能快速的分析前方圍巖情況、及時(shí)提交資料，對(duì)于連續(xù)探測而言,TSP綜合費(fèi)用最低。同時(shí)通過TSPwin軟件處理可以獲得:P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、提取的反射層、深度偏移剖面、各反射層能量大小、巖石物理力學(xué)參數(shù)以及反射在探測范圍內(nèi)的2D或3D空間分布等成果。通過分析這些信息能夠?qū)λ淼拦ぷ髅媲胺絿鷰r工程地質(zhì)情況的性質(zhì)、位置和規(guī)模進(jìn)行比較準(zhǔn)確的探測和預(yù)報(bào),包括:（1）含水情況；（2）軟弱巖層的分布；（3）節(jié)理、裂隙發(fā)育情況；（4）斷層及影響帶；（5）溶洞、暗河、煤層等。當(dāng)然，TSP法在實(shí)際工作中也存在許多問題，其中最主要的問題是不良地質(zhì)條件的判讀缺乏明確的指標(biāo)，更多依賴于物探技術(shù)人員和地質(zhì)專家的經(jīng)驗(yàn)。另外對(duì)于與隧道走向近乎平行的斷裂帶、飽水帶，以及幾何形狀為圓錐體或圓柱體的溶洞等等，尚無法識(shí)別或是識(shí)別效果很差。
探地雷達(dá)法屬于短期預(yù)報(bào)方法，它的探測速度較快,但是其探測距離與分辨率的矛盾無法克服、多次波及其他雜波干擾嚴(yán)重,原始記錄的信雜比低,有效波的識(shí)別及其成果解譯十分困難，而且所獲得的被探測對(duì)象的空間信息量太少,其資料成果的解釋往往存在多解性。
水平聲波剖面法實(shí)際上也是地震波反射法的一種,因而TSP法所存在的部分技術(shù)問題水平聲波剖面法同樣存在，而其卻不具備TSP法的優(yōu)點(diǎn)。在地質(zhì)條件不太復(fù)雜的情況下,該方法對(duì)掌子面前方50ｍ內(nèi)的地質(zhì)狀況的預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確。
紅外探水法對(duì)預(yù)報(bào)掌子面前方有無潛伏的含水體是有效的,但對(duì)含水層的位置、賦水形態(tài)、出水量都無法知曉,對(duì)無水情況下的地質(zhì)災(zāi)害則難以預(yù)報(bào)。
陸地聲納法目前還很不成熟,存在著許多問題。
3、方法原理簡介
從上述的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀可以看出，TSP法無疑是目前國內(nèi)外最先進(jìn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，但是它還是存在著不少缺點(diǎn)，特別是對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，TSP法的資料解釋存在著很嚴(yán)重的多解性，所以多種預(yù)報(bào)方法相結(jié)合，利用綜合物探的方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就顯得很有必要。通過對(duì)比各種預(yù)報(bào)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者認(rèn)為以長距離預(yù)報(bào)見長的TSP法和短距離預(yù)報(bào)快速的探地雷達(dá)法的有效結(jié)合，基本上可以滿足大部分情況的隧道預(yù)報(bào)。對(duì)于其他特殊情況再考慮綜合其他預(yù)報(bào)方法。
3.1 TSP法
TSP(Tunnel Seismic Prediction)法是一種新穎、快速、有效、無損的反射地震技術(shù)。它是為隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)而專門設(shè)計(jì)的,可以在隧道施工、地下礦藏、洞穴和地下暮穴開挖前提供幫助,其目的在于迅速超前地提供在開挖周圍及前方的三維空間的工程地質(zhì)預(yù)報(bào)。TSP和其它反射地震波方法一樣,采用了回聲測量原理(圖1)。地震波在指定的震源點(diǎn)(通常在隧道的左邊墻或右邊墻,大約24個(gè)炮點(diǎn)布成一條直線)用小藥量激發(fā)產(chǎn)生。地震波在巖石
圖1  TSP203系統(tǒng)隧道預(yù)報(bào)原理
Fig.1  The principle of TSP203 system
中以球面波形式傳播。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗差異界面,例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí),一部分地震信號(hào)反射回來,一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收.反射信號(hào)的旅行時(shí)間和反射界面的距離成正比,故而能提供一種直接的測量。
3.2 探地雷達(dá)法
探地雷達(dá)(ground penetrating radar)是基于不同介質(zhì)的電性差異，利用高頻電磁波，探測隱蔽介質(zhì)分布和目標(biāo)體的一種高新地球物理方法。當(dāng)發(fā)射天線T以寬頻帶、短脈沖方式向地下發(fā)射電磁波時(shí)，遇到具有不同介電特性的介質(zhì)時(shí)(如空洞、分界面)，就會(huì)有部分電磁波能量反射(回波)，接收天線接收反射回波并記錄反射時(shí)間，與此同時(shí)接收天線還接收到了雷達(dá)波在空氣中以及沿介質(zhì)體表層傳播的直達(dá)波(如圖2)。
對(duì)于反射波我們可以用下面的反射波旅行時(shí)間計(jì)算公式：
……………………(1)
式中，－反射波走時(shí)，單位為ns；（1ns＝10-9秒）
      －電磁波在介電常數(shù)為的目標(biāo)層中的傳播速度，單位為m/ns；
      S、d分別為發(fā)射天線和接收天線距離與反射界面的埋深。

圖2  雷達(dá)記錄示意圖
Fig.2  Schematic diagram of GPR record
由上所述，雷達(dá)反射波的旅行時(shí)，會(huì)隨被測介質(zhì)的厚度而變化。于是，把發(fā)射與接收天線在被測介質(zhì)表面同步移動(dòng)，便可將反射界面的反射波依次排列成二維圖象。根據(jù)二維圖象我們可以判讀出探測目標(biāo)體的狀況。
4、應(yīng)用實(shí)例分析
 
   
筆者參與了湖南常（德）—吉（首）、邵(陽)－懷(化)高速公路建設(shè)過程中的部分隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，主要采取了以TSP203系統(tǒng)長距離預(yù)報(bào)為主，同時(shí)與探地雷達(dá)相結(jié)合的方案。其中對(duì)于圍巖較好的區(qū)域采用TSP法就可以得到很好的預(yù)報(bào)效果，對(duì)于某些圍巖較差的地段，根據(jù)TSP法的預(yù)測結(jié)果，再用地質(zhì)雷達(dá)加以確認(rèn)，這種長短預(yù)報(bào)方法的有效結(jié)合取得了良好的效果，對(duì)施工起到了很好的指導(dǎo)作用,基本達(dá)到了預(yù)期的探測目的。下面通過在大灣隧道右線YK78＋761－YK78＋861區(qū)段的一次預(yù)報(bào)結(jié)果加以說明。大灣隧道為一座上、下行分離的四車道高速公路隧道，其右線YK78＋761－YK78＋861段地形相對(duì)平緩，隧道埋深淺（屬淺埋段）。地層巖性為：志留系周家溪群，黃褐色強(qiáng)風(fēng)化－弱風(fēng)化砂質(zhì)板巖夾泥質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖和炭質(zhì)板巖，區(qū)段內(nèi)受區(qū)域構(gòu)造影響，擠壓褶曲明顯，局部柔褶現(xiàn)象極為發(fā)育，并伴有擠壓片理等跡象。為了探明掌子面前方的地質(zhì)情況，我們首先采用了TSP203系統(tǒng)進(jìn)行長距離預(yù)報(bào)，其探測結(jié)果如圖3所示，根據(jù)探測結(jié)果可以推斷出掌子面前方的地質(zhì)情況如表1所示。
從推斷結(jié)果看，前方的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，且掌子面前方50米內(nèi)（YK78＋793處）就有一個(gè)比較明顯的弱反射（推斷為破碎帶）。為了確保有效指導(dǎo)施工，當(dāng)施工至YK78＋767時(shí)，我們采用探地雷達(dá)做了進(jìn)一步的探測，其結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出距離掌子面差不多26米（YK78＋793）處，有一明顯反射界面，與TSP203的探測結(jié)果相當(dāng)吻合，故確定為破碎帶。隨后的開挖結(jié)果證明了預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性（見圖5）。
 

 圖3  深度偏移剖面圖
Fig.3  The section of depth excursion 
 
表 1  TSP203的探測結(jié)果
序號(hào) 里 程 長度（m） 推  斷  結(jié)  果
1 YK78+761～773 12 強(qiáng)風(fēng)化巖層，節(jié)理裂隙較發(fā)育。
2 YK78+773～797 24 弱風(fēng)化巖層， YK78+793處節(jié)理發(fā)育，
含水豐富，推斷為破碎帶。
3 YK78+797～803 6 強(qiáng)風(fēng)化巖層，節(jié)理裂隙發(fā)育。
4 YK78+803～817 14 弱風(fēng)化巖層，局部節(jié)理發(fā)育。
5 YK78+817～830 13 弱風(fēng)化巖層，節(jié)理裂隙較發(fā)育。
6 YK78+830～835 5 弱風(fēng)化巖層，局部夾軟弱巖層、節(jié)理發(fā)育。
7 YK78+835～861 26 弱風(fēng)化巖層，局部節(jié)理發(fā)育。
Table 1  The detected result of TSP203
 

圖4  地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果                       圖5 YK78＋793開挖結(jié)果
Fig.4 The detected result of GPR          Fig.5 The excavated result of YK78＋793
5、結(jié)論及建議
通過大量的工程實(shí)踐，筆者對(duì)于隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作和隧道施工也有了較深刻的認(rèn)識(shí)，提出幾點(diǎn)結(jié)論：（1）隧道施工需要特別重視地質(zhì)勘察工作，除了業(yè)主提供的詳勘地質(zhì)報(bào)告以外，施工單位仍需做細(xì)致的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，準(zhǔn)確掌握和判明隧道開挖掌子面前方的地質(zhì)情況，以確保施工安全有效地順利進(jìn)行。（2）對(duì)于絕大部分隧道的地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，TSP法和探地雷達(dá)的有效結(jié)合基本可以滿足需要，特別是某些圍巖較好的區(qū)段TSP法就可以得到滿意的預(yù)報(bào)結(jié)果；但對(duì)于某些復(fù)雜地質(zhì)情況，應(yīng)針對(duì)其特有的不良工程特性，采用相應(yīng)的、行之有效的綜合物探手段，有必要時(shí)還可以適當(dāng)選擇水平鉆探。（3）對(duì)于超前預(yù)報(bào)方法所推測出來的某些特復(fù)雜、可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重工程事故的不良地段，建議按照其最不利因素組合的情況來施工。（4）TSP法的智能化和解釋精度還有待進(jìn)一步的提高。
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