超前地質(zhì)預(yù)報方法對比

在地質(zhì)工程領(lǐng)域，超前地質(zhì)預(yù)報對于保障工程的順利進(jìn)行和安全實施具有至關(guān)重要的意義。不同的超前地質(zhì)預(yù)報方法各有其特點、適用范圍和局限性。本文將對幾種常見的超前地質(zhì)預(yù)報方法進(jìn)行對比分析，以便在實際工程中能夠根據(jù)具體情況選擇最為合適的方法。

地質(zhì)素描法

地質(zhì)素描預(yù)測法分為巖層巖性及層位預(yù)測法、條帶狀不良地質(zhì)體影響隧道長度預(yù)測法以及不規(guī)則地質(zhì)體影響隧道長度預(yù)測法三種。對掌子面已揭露出的巖層進(jìn)行地質(zhì)素描是其關(guān)鍵步驟。地質(zhì)工程師需要觀察巖石的礦物成分及其含量，結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征和特殊標(biāo)志，給予準(zhǔn)確定名，測量巖層產(chǎn)狀和厚度。同時，測量該巖層距離已揭露的標(biāo)志性巖層或界面的距離，并計算其垂直層面的厚度。

將該巖層與地表實測地層剖面圖和地層柱狀圖相比，確定其在地表地層（巖層）層序中的位置和層位。依據(jù)實測地層剖面圖和地層柱狀圖的巖層層序，結(jié)合TSP探測成果，反復(fù)比較分析，最終推斷出掌子面前方一定范圍內(nèi)即將出現(xiàn)的不良地質(zhì)在隧道中的位置和規(guī)模。

施工過程中，每次爆破后由地質(zhì)工程師進(jìn)行地質(zhì)素描，內(nèi)容包括掌子面正面及側(cè)面穩(wěn)定狀態(tài)、巖層產(chǎn)狀、巖性風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度（產(chǎn)狀、間距、長度、充填物、數(shù)量）、噴射混凝土開裂、掉塊現(xiàn)象、涌水情況、水質(zhì)情況、水的影響、不良?xì)怏w濃度等。同時定期對地表水文環(huán)境進(jìn)行觀測和監(jiān)測記錄，及時了解隧道施工對地表水的影響，確定施工控制措施，最終做出掌子面地質(zhì)素描圖和洞身地質(zhì)展示圖。及時對洞內(nèi)涌水進(jìn)行水質(zhì)分析和試驗，提交分析和試驗結(jié)果，對影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的水質(zhì)提出處理意見，上報技術(shù)部門，以利采取有效的防護(hù)措施。

這種方法的優(yōu)點是直觀、成本低，能夠提供掌子面當(dāng)前的地質(zhì)信息。然而，其缺點也較為明顯，預(yù)報范圍有限，主要依賴于已揭露的巖層情況，對于前方未知地質(zhì)情況的推斷存在一定的局限性，且對地質(zhì)工程師的經(jīng)驗要求較高。

TSP法

觀測系統(tǒng)布置

井底向井口方向按1.5m間距布置24個炮孔用以激發(fā)震源，每個炮孔深度1.5m，并在距離最后一個炮孔15 - 20m井壁對稱兩側(cè)各布置一個接收孔用以接收地震波，接收孔深2m。

適用性評價

豎井?dāng)嗝嫘?，TSP系統(tǒng)可布置性小，裝藥及放炮激發(fā)可操作性極低。預(yù)估在豎井中實施TSP法的時間為8小時（甚至更多），嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。在隧道施工中，TSP法原理與地震反射負(fù)式速度法一致，但其采用深度偏移法，且在成像前進(jìn)行二維Radon變換。利用視速度差異，消除與隧道走向近乎平行的反射界面。然而，由于受觀測方式限制，不可能給出準(zhǔn)確的斷層產(chǎn)狀、位置和巖體波速。

TSP法的優(yōu)點是可以探測相對較遠(yuǎn)的距離，一般能達(dá)到100 - 200m左右。但其缺點也很突出，在豎井等小斷面空間中實施困難，對施工進(jìn)度影響大，且無法準(zhǔn)確提供斷層等地質(zhì)構(gòu)造的詳細(xì)信息。

地質(zhì)雷達(dá)法

觀測系統(tǒng)布置

井底布置2 - 4條測線，井底處理平整。鐵磁性物質(zhì)對電磁波衰減極大，現(xiàn)場須對施工機(jī)械進(jìn)行遷移，同時抽干井底積水，保證地質(zhì)雷達(dá)法數(shù)據(jù)的可靠性。

適用性評價

需要井底無積水，并且要遷移施工機(jī)械，現(xiàn)場難以實現(xiàn)，同時受場地限制，100M天線在井內(nèi)可操作空間極小。在隧道施工中，地質(zhì)雷達(dá)采用連續(xù)掃描電磁波反射曲線的疊加，利用電磁波在隧道掌子面前方巖體中的傳播、反射原理，根據(jù)測到的反射脈沖波走時計算反射界面距隧道施工掌子面的距離。地質(zhì)雷達(dá)被認(rèn)為是目前分辨率最高的地球物理方法，但是由于預(yù)報距離短，一般在10 - 30m左右，易受隧道洞內(nèi)機(jī)器、管線的干擾，目前多用于巖溶空洞、含水帶和破碎帶的探測預(yù)報。

地質(zhì)雷達(dá)法的優(yōu)點是分辨率高，能夠清晰地探測到一些小的地質(zhì)構(gòu)造和異常體。但其缺點是預(yù)報距離短，受外界干擾因素多，對場地條件要求較高。

瞬變電磁法

觀測系統(tǒng)布置

與地質(zhì)雷達(dá)法一樣，必須保證井底積水抽排干凈，同時遷移施工機(jī)械，以消除信號干擾。

適用性評價

需要井底無積水，并且要遷移施工機(jī)械，受場地限制，瞬變電磁的發(fā)射線圈和接收線圈在豎向擺放困難，不易操作，有安全隱患。瞬變電磁法主要用于探測地下含水構(gòu)造等地質(zhì)情況，通過觀測瞬變電磁場的變化來推斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

該方法的優(yōu)點是對低阻體（如含水構(gòu)造）的探測較為敏感。但其缺點是對場地要求高，操作難度大，在豎向空間布置線圈存在安全隱患，且探測深度相對有限。

高分辨直流電法

觀測系統(tǒng)布置

高分辨直流電法是通過供電電極在圍巖中建立全空間穩(wěn)定電場，所以必須保證井底積水抽排干凈，同時遷移施工機(jī)械，以消除信號干擾。

適用性評價

需要保證井底無積水，并且要遷移施工機(jī)械，同時受場地限制，高分辨直流電法的電極布置在井內(nèi)可操作空間極小，無法按要求布置測線。該方法主要利用巖石的導(dǎo)電性差異來探測地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過測量不同電極之間的電位差等參數(shù)來推斷地質(zhì)情況。

高分辨直流電法的優(yōu)點是對地質(zhì)體的電性差異反映敏感，能夠提供較為詳細(xì)的地下電性分布信息。但其缺點是對場地條件要求苛刻，在井內(nèi)等狹窄空間難以實施，且電極布置和數(shù)據(jù)采集難度大。

紅外探水技術(shù)

在隧道中，圍巖每時每刻都在發(fā)射紅外波段的電磁波，并形成紅外輻射場，輻射場有密度、能量、方向等信息，巖層在向外發(fā)射紅外輻射的同時，必然會把它內(nèi)部的地質(zhì)信息傳遞出來?？菰餆o水的地層和含水地層往往發(fā)射不同的紅外輻射，地下水的活動會引起巖體紅外輻射場強(qiáng)的變化，紅外探水儀通過接收巖體的紅外輻射強(qiáng)度，根據(jù)巖體紅外輻射場強(qiáng)的變化來確定掌子前方或者四周是否有隱伏的含水體，通過測試掘進(jìn)工作面和隧道開挖縱向的地濕場變化情況，根據(jù)介質(zhì)的輻射紅外波段長的能量變化，判析前方是否為隱伏含水構(gòu)造體，有無發(fā)生突涌水的可能。

這種方法的優(yōu)點是操作簡單、快速，能夠及時發(fā)現(xiàn)掌子面前方或四周的含水情況。但其缺點是只能探測含水構(gòu)造，對于其他地質(zhì)構(gòu)造的探測能力有限，且探測結(jié)果的準(zhǔn)確性受環(huán)境因素影響較大。

結(jié)論

不同的超前地質(zhì)預(yù)報方法都有其各自的優(yōu)缺點和適用范圍。在實際工程中，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，如施工場地條件、地質(zhì)條件、探測要求等，綜合選擇合適的超前地質(zhì)預(yù)報方法。例如，在隧道施工中，如果需要探測較遠(yuǎn)距離的地質(zhì)情況，可優(yōu)先考慮TSP法；如果需要高分辨率地探測近掌子面的巖溶空洞等情況，地質(zhì)雷達(dá)法可能更為合適；而對于探測含水構(gòu)造，紅外探水技術(shù)和瞬變電磁法等可以作為選擇。同時，為了提高預(yù)報的準(zhǔn)確性和可靠性，也可以采用多種方法相結(jié)合的綜合預(yù)報方式。通過對各種超前地質(zhì)預(yù)報方法的對比分析，能夠更好地為工程施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，保障工程的順利進(jìn)行和安全實施。