中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)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)。
1. 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在巖溶隧道施工中的應(yīng)用意義
在當(dāng)前我國(guó)巖溶地區(qū)的隧道施工體系中，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)具有較為顯著的戰(zhàn)略應(yīng)用意義。一方面，這項(xiàng)技術(shù)的使用能夠結(jié)合巖溶地區(qū)的實(shí)際情況，靈活使用最合適的勘察探索技術(shù)，掌握巖溶地區(qū)的地質(zhì)情況，明確區(qū)域內(nèi)不良地質(zhì)環(huán)境的具體位置，給后續(xù)施工活動(dòng)提供較好的數(shù)據(jù)支撐，保證施工活動(dòng)可以規(guī)范進(jìn)行，避免出現(xiàn)各類安全隱患和質(zhì)量問(wèn)題。另一方面，這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用也能夠顯著提高施工安全。這主要是因?yàn)槌暗刭|(zhì)預(yù)報(bào)能夠在施工活動(dòng)開(kāi)始之前，進(jìn)行巖溶隧道區(qū)域的地質(zhì)探測(cè)，提前感知區(qū)域內(nèi)的不良地質(zhì)問(wèn)題，充分保證施工安全性。特別是在使用了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)以后，施工團(tuán)隊(duì)就可以提前感知可能存在的安全隱患，并做好相應(yīng)的安全防范工作。
2. 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在巖溶隧道施工中的應(yīng)用實(shí)例
為明確綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的具體應(yīng)用，這里也分析了單一技術(shù)和組合技術(shù)在實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，探索這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用細(xì)節(jié)內(nèi)容，有利于提高我國(guó)巖溶地區(qū)隧道施工的整體技術(shù)水平。
2.1 單一技術(shù)的應(yīng)用
綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)包含的技術(shù)有很多，這里也針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)法的單一技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析。我國(guó)向家包二號(hào)隧道工程項(xiàng)目處于巖溶地區(qū)，存在大型溶洞、落水洞等不良地質(zhì)情況。為了明確這些不良地質(zhì)的具體分布現(xiàn)狀，隧道工程也使用了地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行地質(zhì)勘察。在使用這項(xiàng)技術(shù)的時(shí)候，工程施工方使用了美國(guó) SIR-20 雷達(dá)主機(jī)，同時(shí)還配置了 100MHz的天線，可以進(jìn)行多次預(yù)報(bào)，同時(shí)在后續(xù)施工過(guò)程中也可以結(jié)合實(shí)際施工現(xiàn)狀進(jìn)行預(yù)測(cè)性對(duì)比，避免出現(xiàn)一些不必要的失誤。
在本次地質(zhì)預(yù)報(bào)過(guò)程中，雷達(dá)天線在巖溶管道、溶洞、暗河等區(qū)域產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的反射信號(hào)，可以精準(zhǔn)識(shí)別巖溶隧道中的水分。但在使用這項(xiàng)技術(shù)的時(shí)候，還需要注意檢測(cè)范圍的問(wèn)題。在本次工程項(xiàng)目中，地質(zhì)雷達(dá)法只能檢測(cè) 20m左右的巖溶隧道，并給出比較詳細(xì)的地質(zhì)預(yù)報(bào)信息。在一些圍巖破碎的特殊區(qū)域，地質(zhì)雷達(dá)法只能預(yù)報(bào) 15m 左右的地質(zhì)信息。本次使用地質(zhì)雷達(dá)法的具體原理如 圖 1 所 示。
在使用這項(xiàng)技術(shù)以后，可以在隧道的上方與下方區(qū)域產(chǎn)生反射地震波。由于巖層中巖性變化突出區(qū)域的介質(zhì)密度和傳播彈性波速度乘積存在較大的差異（也被稱之為聲阻抗），最終反射地震波的能力也存在顯著差異。通過(guò)這個(gè)特點(diǎn)，地質(zhì)雷達(dá)法也能夠較好地甄別巖溶地區(qū)的不良地質(zhì)帶位置，給后續(xù)進(jìn)行隧道施工提供較好的數(shù)據(jù)參考。
2.2 組合技術(shù)的應(yīng)用
綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系本身包含多項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)各個(gè)技術(shù)也具有相應(yīng)的特點(diǎn)。因此，在具體使用這項(xiàng)技術(shù)體系時(shí)，如果能夠靈活發(fā)揮多個(gè)技術(shù)的戰(zhàn)略價(jià)值，最終形成組合技術(shù)體系，也具有較強(qiáng)的應(yīng)用意義。結(jié)合綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系的相關(guān)內(nèi)容，這里則提出“地質(zhì)調(diào)查法 +TSP+TEM+ 超前鉆探”的組合技術(shù)模式。
在技術(shù)理論與原理方面，主要是使用地質(zhì)調(diào)查法來(lái)獲取巖溶地區(qū)的基本地質(zhì)信息，對(duì)于區(qū)域地質(zhì)情況有較好的掌握。接下來(lái)則可以使用 TSP 進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)距離的輔助探測(cè)，并使用 TEM 技術(shù)針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，最終通過(guò)超前鉆探活動(dòng)來(lái)驗(yàn)證預(yù)報(bào)結(jié)果的精準(zhǔn)性與可靠性。這套技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)技術(shù)的互補(bǔ)，提高了地質(zhì)預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)性，可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)預(yù)報(bào)的定量分析。
我國(guó)滬昆客運(yùn)專線中的某巖溶隧道工程就使用了“地質(zhì)調(diào)查法 +TSP+TEM+ 超前鉆探”的組合技術(shù)模式。這里也結(jié)合工程實(shí)踐活動(dòng)來(lái)明確這套組合技術(shù)模式的實(shí)際應(yīng)用。
第一，地質(zhì)調(diào)查。相關(guān)勘察人員在工程項(xiàng)目施工之前，先對(duì)區(qū)域地質(zhì)情況進(jìn)行了全面的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)區(qū)域構(gòu)造體系為中新華夏系，同時(shí)區(qū)域內(nèi)存在較多的斷層破碎帶。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析以后，發(fā)現(xiàn)區(qū)域巖體破碎情況比較突出，同時(shí)圍巖的穩(wěn)定性也不高，巖體出現(xiàn)了顯著的強(qiáng)風(fēng)化情況。
第二，TSP分析。在本次巖溶隧道工程中，相關(guān)技術(shù)人員還使用了 TSP-203進(jìn)行了地質(zhì)預(yù)報(bào)。在具體操作中，需要在隧道左右兩側(cè)分別布設(shè)接收器，以及直徑為 50mm、深度為 2m、相隔間距為 1.5m 的炮孔。通過(guò) TSP 探測(cè)分析以后，相關(guān)技術(shù)人員就可以明確區(qū)域地質(zhì)的不同層系的力學(xué)參數(shù)和特性，結(jié)合相關(guān)信息分析得出，區(qū)域內(nèi)存在圍巖破碎、巖溶發(fā)育、富水等各類情況。
第三，TEM 分析。結(jié)合本次工程項(xiàng)目的 TSP 分析結(jié)果，就可以對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)。在探測(cè)活動(dòng)開(kāi)展過(guò)程中，則在隧道掌子面中完成測(cè)線的布設(shè)。其中，各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的間距設(shè)計(jì)為 0.5m，測(cè)點(diǎn)距離地面為1.5m。通過(guò)使用TEM技術(shù)以后，就可以得到視電阻等值線圖，如圖 2 所示。第四，超前鉆探。在巖溶地區(qū)進(jìn)行超前鉆探，需要進(jìn)行逐樁鉆探，充分明確地質(zhì)情況。
在本次工程項(xiàng)目中，主要使用沖擊鉆和回轉(zhuǎn)取芯鉆兩種方式配合使用，提高鉆探速度與效率。前者無(wú)法取芯，在一般地段可以使用，通過(guò)沖擊相聲、鉆速變化、沖洗液顏色、鉆桿振動(dòng)等要素判斷地質(zhì)巖體情況。而后者主要使用在特殊地層（比如溶洞、斷層破碎帶等），真實(shí)可靠地提供巖層地質(zhì)情況。
3. 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在巖溶隧道施工中的應(yīng)用保障措施
3.1 切實(shí)提高勘察人員的專業(yè)能力
綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系涉及了多個(gè)技術(shù)，需要勘察人員具有較高的專業(yè)能力才能夠真正發(fā)揮這些技術(shù)的成效。因此，在后續(xù)時(shí)間里，巖溶地質(zhì)勘察團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該切實(shí)提高各個(gè)勘察人員的專業(yè)能力。一方面，在進(jìn)行人才招聘的時(shí)候，相關(guān)機(jī)構(gòu)可以適當(dāng)提高人才招收的標(biāo)準(zhǔn)，從外部市場(chǎng)環(huán)境中吸收一些高素質(zhì)人才。隨著我國(guó)高校擴(kuò)招戰(zhàn)略的不斷貫徹，我國(guó)市場(chǎng)環(huán)境中的高素質(zhì)人才數(shù)量與比例都得到了顯著提升，地質(zhì)勘探機(jī)構(gòu)更容易從市場(chǎng)環(huán)境中獲得高素質(zhì)人才。另一方面，機(jī)構(gòu)單位在平時(shí)結(jié)合綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系制定相應(yīng)的培訓(xùn)教育活動(dòng)，同時(shí)還要積極引入一些現(xiàn)實(shí)工程案例，提高培訓(xùn)教育的效果。
3.2 做好施工設(shè)備的維護(hù)保障活動(dòng)
在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)活動(dòng)時(shí)，需要使用較多的機(jī)械設(shè)備。因此，在平時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員也應(yīng)該做好各類相關(guān)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作，保證各個(gè)設(shè)備都有較好的可靠性。在使用各類設(shè)備時(shí)，操作人員也應(yīng)該嚴(yán)格按照既定的規(guī)章制度和操作流程進(jìn)行施工作業(yè)，避免因?yàn)樽陨淼牟涣疾僮鞫鴮?duì)設(shè)備帶來(lái)?yè)p傷。對(duì)于施工團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，也應(yīng)該做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)相關(guān)設(shè)備的管理，及時(shí)更新各類設(shè)備的信息，保證設(shè)備能夠取得較好的應(yīng)用成效。
3.3 靈活使用各類組合技術(shù)
對(duì)于巖溶地區(qū)的隧道施工來(lái)說(shuō)，使用單一地質(zhì)預(yù)報(bào)方法雖然比較便捷，但是在實(shí)踐活動(dòng)中很有可能遇到一些阻礙。比如上文提到的地質(zhì)雷達(dá)法無(wú)法探測(cè) 20m 以外區(qū)域的地質(zhì)情況。因此，在具體工程實(shí)踐過(guò)程中，最好使用組合技術(shù)模式。這也需要勘探人員能夠?qū)Ω黜?xiàng)技術(shù)有比較充足的了解，明確不同技術(shù)的使用條件和應(yīng)用特點(diǎn)，再結(jié)合隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。在這個(gè)過(guò)程中，地質(zhì)勘探最好能夠結(jié)合不同技術(shù)的特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，制定多套組合技術(shù)的方案，并從中選擇最合適的勘探組合技術(shù)方案。因此，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系的貫徹使用能夠變得更加靈活，更容易取得預(yù)期的效果。
3.4 做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)
巖溶地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境是非常復(fù)雜的，同時(shí)不同地區(qū)的巖溶地質(zhì)環(huán)境也有所不同，需要施工人員結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的靈活組合與全面分析，才能夠形成針對(duì)性較強(qiáng)的施工方案體系。在這個(gè)過(guò)程中，技術(shù)人員也需要對(duì)施工項(xiàng)目區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行全面探索，結(jié)合巖溶地區(qū)的實(shí)際情況選擇最合適的超前勘探技術(shù)。在擬定超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案時(shí)，也需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的技術(shù)論證和專家會(huì)議，保證最終選定的方案具有較好的合理性，能夠在工程項(xiàng)目中取得顯著應(yīng)用成效。
4. 結(jié)語(yǔ)
綜合來(lái)看，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在巖溶隧道施工中的全面應(yīng)用具有較好的成效，可以在我國(guó)各個(gè)地區(qū)進(jìn)行綜合推廣。對(duì)于地質(zhì)勘探人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)充分明確綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系的各項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容，同時(shí)還要掌握不同技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際情況做出針對(duì)性選擇。在具體使用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，相關(guān)人員還應(yīng)該積極處理技術(shù)運(yùn)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，并不斷積累技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給巖溶隧道施工提供較為豐富的地質(zhì)數(shù)據(jù)資料。這樣以后，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就可以展現(xiàn)出較強(qiáng)的戰(zhàn)略價(jià)值，有利于提升我國(guó)巖溶隧道施工的安全水平和整體質(zhì)量。
作者：唐志杰 （湖南省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)）
本文刊發(fā)于《中國(guó)高新科技》雜志2020年第23期
（轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源）
