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地质条件是能否采用TBM法施工的先决条件,也是TBM能否正常发挥效能和优势的重要条件,因此地质预报工作显得格外重要。
根据在长探洞内的地质超前预报的经验,对长隧道的地质预报应采用综合方法,即同时使用几种类型的预报方法。为便于施工计划和管理,按不同的预报性质进行地质超前预报分类。按工作面距离可分为:短距离预报:0~15 m;中距离预报:15~50 m;长距离预报:50 m以上。按预报作用可分为:常规预报,主要预报短距离内的工程地质条件,判断围岩类别等;成灾预报,主要进行中、长距离的预报,采用综合手段,做定性和定量预报;专门预报,预报特殊工程地质问题,如地温、有害气体等。按预报精度可分为:定量预报,明确可能成灾的位置、规模、影响范围,主要体现在短、中距离预报中;定性预报,体现在长距离的战略性预报中。
1.工程地质法
(1)长距离预报:利用1:2.5万的地面测绘和其他基础资料对隧道的地层界线、大型断层、围岩类别、涌水以及其他特殊工程地质问题进行预测。
(2)中、短距离预报:用现场平洞测绘和平切图法对工作面前方的围岩类别、破碎岩层、出水构造等进行预报。
2.超前平洞法
现有长探洞已查明的地质情况或超前的一条隧道,实际上起了超前预报的作用。采用这种方法进行工程地质法预报,既直观,精度又高,在施工中起到了重要作用。如秦岭Ⅱ线平导先行施工,对与之平行的秦岭Ⅰ线隧道施工,实际上已起到超前地质预报的作用。
3.超前钻探法
在长探洞内进行超前钻探,对预测、预报围岩、断层情况以及岩爆等地质灾害起到了很好的作用。
4.仪器法
(1) TSP技术:
TSP是一种用于超前预报隧道前方地质变化的地下反射技术。它利用地震波的反射原理进行地质探测。由于地震波以固定的声波速度传播,故反射信号的到达时间与入射到达不同岩体介质界面的距离成正比,因此能作为间接量测地质变化区距测点的距离,并能确定与探测钻孔相交界面的几何形状。其预报的特点是:探测系统现场可远离施工工作面,与掘进作业互不干扰;它对不同岩体介质及断层带等界面、富水地段的预报效果好;其预报距离可达工作面前方约50 m,有效分析距离则可达100余米;节省时间,对施工干扰少,每次爆破记录时间仅需45 min,整个量测循环(包括仪器清理)共需2h。
(2)陆地声呐法:
在地面上采用捶击震源,可探测和穿透100~120 m深的岩层。采集宽带的反射信息,这样可以采用分窗口带通滤波方法提取不同频段信号,以便于反映不同的对象,增加本方法的探查能力;发射与采集系统为超短余振,即激发的振动子波仅1个周期,而采集系统则具超短余振功能,使采集到的目标物的反射波仅为1个周期,保证方法的分辨率可在0. 5~0.7 m。这种方法在陆上做勘探已收到较好的效果,但应用较少,未能推广。
(3)地质雷达法:
地质雷达对探测范围内的断层破碎带等物性差异界面较灵敏,预测位置较准确。而对含水带反射信号的判别带有一定的偶然性,无法判定前方含水带的涌水性质和危害程度;且对与洞向近乎平行的结构面较难查明。若利用地质雷达进行超前预报,必须进一步积累经验,在研究本区工程地质背景的电磁波吸收发射特点的基础上,才能提高预报精度,正确确定前方含水体的位置、规模和性质,结构面的走向,以及对施工的影响程度等,以利于施工的顺利进行。
(4)经验法:
这是一种在以往经验积累的基础上进行的方法。它具有特殊的意义。
(1)钻孔内出现浑水,并能喷射5m以上,说明前方有30~50 L/s的涌水存在。
(2)工作面附近出现铁锰质富集或充填泥质裂隙,则表明前方有涌水可能。
(3)当黑色岩体(黑色大理岩、泥质灰岩)进入白色或花斑状岩体(白大理岩)时,即岩性分界面附近,前方可能有涌水。
(4)当地温测值出现比前一点低时,可能有涌水;反之,则可能出现岩爆。
(5)听到岩石劈裂的响声或看到岩石的掉块现象,可能会发生岩爆。
我国在隧道施工过程中使用了瑞利波法探测断层、地质雷达探测溶洞、隧底钻探探测岩溶洞穴、超前水平钻探、浅层反射法、声波法、超前导坑、地质图解法、压水试验等方法。深埋长隧道在施工过程中拟采用多种预报方法相结合的综合预报方法,即以工程地质法(包括图析法及地质素描法等)进行超前宏观预报,然后结合超前钻探、超前导洞、仪器法、经验法等预报手段进行综合判断。其中仪器法推荐以“TSP技术为主、电法等技术为辅”,通过现场信息反馈,加以研究分析,以提高信息解译精度。施工过程中应执行“超前探测、先探后掘”的原则,以避免地质灾害的发生,确保隧道的安全施工。