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国外隧道超前预报的方法及研究进展
日期:2015-3-6 14:41:38 作者:佚名 来源:本站原创
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世界各国在19世纪70 年代开始了隧道施工地质预报工作,方法多为通过导坑来了解前方不良地质地段,有的则通过超前水平钻孔进行预报。瑞士、日本等国十分重视隧道施工地质预报,许多施工单位配有专门的隧道施工地质工程技术人员,或由业主提供专业的施工地质队伍。超前导坑或平行导坑和超前水平钻孔都是比较直观的预报手段,原理基本一致,都是通过揭露沿隧道轴线方向的地质情况来进行地质预报,只是两者揭露的断面大小有差异而已,可以认为超前水平钻孔是小比例的超前导坑。超前水平钻孔相对于导坑来讲,耗时较少且经济性能较好,但需要超前水平钻机等重型设备,设备的一次投入成本可能较高。还可以通过在超前水平钻探施工过程中,对钻速、回水量等的记录分析、钻孔岩芯的识别、钻孔冲洗液的颜色变化等来确定前方围岩的地质情况,进而确定围岩级别。在曲线地段、纵坡坡度较大地段超前水平钻孔法有一定的应用局限。

地质雷达探测方法是目前分辨率最高的工程地球物理探测方法,该法源于欧美的航天探空雷达技术。1910 年德国的G。 Leimbach和H Lowy 就提出了利用雷达原理探测地下物质,但 20世纪70 年代以后,探地雷达的实际应用范围才得以扩大。地质雷达法是交流电法的一种,其基本原理是由发射机发射脉冲电磁波,其中一部分是沿着掌子面传播的直达波,经过时间t1后到达接收机;另一部分电磁波传人岩体中,若在波的传播过程中遇到电性不同的岩体(如破碎岩体、含水岩体等),电磁波就发生反射,经过时间t2后到达接收机,然后根据两种波传播时间的差值来确定掌子面前方不同岩体的具体位置。地质雷达的使用前提是掌子面前方探测范围内的岩体的电性与掌子面岩体有差异,而且差异越大越好。

20世纪50 年代,苏联学者开始研究将直流电法用于煤矿井下探测。直流电法包括电阻率法(电剖面法、电测深法)、充电法、自然电场法、激发极化法等。其中电阻率法是依靠人工建立直流电场,在掌子面测量某点垂直方向的电阻率变化,以此来推测掌子面前方的地质体情况。该法可以确定不同的岩性、进行地层的划分,探测褶皱、断层等构造体的产状,探查含水体的分布情况等。20 世纪70 年代末期,德国、英国提取与利用槽波的埃里相探测巷道工作面前方的地质构造。

20世纪80 年代以来许多国家都将地质预报问题列为重点研究课题。澳大利亚研究隧道掌子面前方地质情况预报,联邦德国进行掌子面前方地层动态的详细调查研究,法国主要研究在不降低掘进速度前提下的勘察方法,但都未取得可供推广的研究成果。日本主要研究掌子面前方地质预报,在青函隧道施工过程中,一方面开挖超前导洞,另一方面在导洞中沿隧道轴线打超前水平钻孔进行地质预报,这种方法取得了一定的效果,接着又开始了应用地球物理探测方法进行超前地质预报的研究。

20世纪90 年代初,瑞士安伯格( Amberg)技术公司研发了一套超前预报系统设备-TSP( tunnel seismic prediction)即隧道地震预报系统。该系统采用地震波反射原理,地震波由 24个爆破点上的小剂量炸药爆炸产生,当爆炸产生的地震入射波遇到岩体结构有变化的岩层时,在不同介质的分界面上,部分入射波被反射,采用电子传感器接收。因地震波在岩体中以固定的速度传播,所以反射波的到达时间和入射波到达不同岩体分界面的距离成正比,故能间接测量地质变化带和测点之间的距离,预测隧道掌子面前方的地质结构及围岩地质状况,同时还可对围岩力学参数(包括动态杨氏模量、静态杨氏模量、泊松比、纵波速度、密度、纵横波速比等)进行评估。其优点是探测距离远(可达掌子面前方100- 300m)、分辨率高、抗干扰能力强、资料解译速度快、对施工影响小等。TSP在瑞士、法国、德国、奥地利、意大利、日本等国的隧道施工中得到了广泛的应用。利用TSP进行超前地质预报,是施工决策过程中不可缺少的一道工序。日本学者将TSP用于日本的多条隧道,并且改进开发了C-TSP( continuous-TSP)系统,该系统不是为了做 1SP专门爆破而产生地震波,而是利用隧道开挖时的每一次爆破,对前方地质情况进行预测,探测距离最长可达150m。

2000 年左右,美国NSA工程公司开发出TRT(true reflection tomography),即空间层析成像技术,并在欧洲、亚洲开始应用。TRT技术在欧洲隧道地质预报中应用较成功,如波利山隧道、奥地利穿越阿尔卑斯山脉的铁路双线隧道等。该方法的突出特点是在观测方式上实现了空间三维观测,资料处理手段采用地震偏移成像方法。该方法将检波器和激发炮点布置在隧道边墙和掌子面上,最大限度地扩展横向展布,以充分获得空间波场信息,提高波速分析和不良地质体的定位精度,较TSP法有明显的改进。理论预报长度为100 - 300m,软弱破碎地段为 60 - 90m。

近年来,德国GeohydraulikData 公司开发出了BEAM/bore-tunnelling electri- cal ahead monitoring),即隧道电法超前探测技术,是目前唯一的隧道电法超前地质预报方法。该方法是一种聚焦电流频率域的激发极化方法,其最大特点是通过在外围的环状电极发射一个屏蔽电流和在内部发射一个测量电流,使电流聚集进人要探测的岩体中,通过获得与岩体中空隙有关的电能储存能力参数PFE (per- centage frequency effect)的变化,预测掌子面前方岩体的完整性和含水性。其另一个特点是可以将装置安装在盾构法施工的盾构掘进机的刀头(测量电极)和外侧护盾(屏蔽电极)上,也可安装在钻爆法施工的钻头前方(测量电极)和.两侧钢架(屏蔽电极)上,随着隧道的掘进,连续不断地获得数据,并实时处理得到的PFE曲线,从PFE曲线即可推断掌子面前方不良地质体的性质。该项技术在欧洲许多国家已经开始使用。


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