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隧道不同工況的超前地質(zhì)預(yù)報方法
1 山嶺隧道施工
山嶺隧道正在朝"長、大、深"方向發(fā)展，由于其具體工程特點不同，所以采用的預(yù)報方法也不同。
1.1 工程特點
山嶺隧道通常較長、埋深較大，在前期勘察期間由于受技術(shù)手段和現(xiàn)場條件所限(如:勘查較粗，且地面條件較差;地表植物較多，不利于許多方法探測;許多地球物理方法的縱向分辨率隨著深度的增加而降低，且隧道開挖直徑僅16m，埋深150m，縱向分辨率為90%)，使地表探測的難度加大，前期勘察資料的準確度和可靠性就較差。
1.2 預(yù)報方法
山嶺隧道應(yīng)以掌子面超前地質(zhì)預(yù)報為主，而長距離預(yù)報應(yīng)以地震反射法中角度偏移法為主。其他電性方法，由于供電等原因，且探測距離較淺，可作為輔助方法。總則是"綜合參數(shù)(波速+電阻率)、長短結(jié)合(地震反射法+電性方法)"。地震反射法有:TSP、VSP、HSP、TRT、USP等。電性方法有:GPR地質(zhì)雷達、TEMT瞬變電磁法、BEAM激發(fā)極化法。鉆孔方法有彈性波和電磁波CT。預(yù)報時可根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜情況選擇使用。
2 地鐵淺埋暗挖法和盾構(gòu)法施工
地鐵施工目前基本不做掌子面超前地質(zhì)預(yù)報，但并不表明地鐵施工不需要超前地質(zhì)預(yù)報。因為目前國內(nèi)大范圍地鐵施工仍在地表下20m以上施工，且地鐵隧道前期勘察資料相對山嶺隧道而言較為詳細;另外，地鐵所選線路基本都在原有城市道路下方，地鐵所穿越的上方既有市政設(shè)施及既有構(gòu)筑物基本已知;再者，地鐵主要建設(shè)在大型城市市域內(nèi)，而我國大多城市都建設(shè)在沖洪積平原上，土體隧道居多，當然也有巖質(zhì)隧道和較為復(fù)雜的巖溶地區(qū)。雖然，地鐵隧道遠比山嶺隧道地質(zhì)情況簡單，但是其修建于鬧市區(qū)，對地層變形和既有設(shè)施的保護又遠比山嶺隧道難于控制。所以，地鐵隧道對超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的需求是迫切的，技術(shù)要求更加精細，出現(xiàn)的問題也很多。現(xiàn)階段不做掌子面前方預(yù)報，主要受預(yù)報技術(shù)和儀器設(shè)備所限。
2.1 工程特點
1)埋深相對較淺，地質(zhì)情況相對簡單，但變化較頻繁，更注重對既有構(gòu)筑物的保護;2)對盾構(gòu)施工而言，更注重對大粒徑(50cm以上)卵礫石分布和詳細位置的探測與預(yù)報;3)對砂性土體則注重對空洞、水囊的探測;4)地下水對工程施工的影響很大，也是探測預(yù)報的重點。
2.2 預(yù)報方法
由于地鐵施工埋深較淺，所以就國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)而言，地鐵前方預(yù)報方法應(yīng)以地面方法為主(20m以上)、掌子面方法為輔。但是地面探測受各種干擾影響較大，如振動、電磁干擾等等，目前北京地鐵開工前要進行地面雷達法空洞掃描探測，測線間距4m，探測深度基本在6m以上，而隧道實際開挖在10m以下，因此探測方法對隧道施工幫助不大。不過，利用較大震源的跨孔法探測也不失為一種好方法，但仍需要做進一步的試驗和研究。常采用的地面探測方法有:GPR地質(zhì)雷達、TEM瞬變電磁法、淺層地震法、高密度電阻率法、綜合參數(shù)跨孔法等;隧道掌子面預(yù)報方法有:USP地震反射法、GPR地質(zhì)雷達、TEMT瞬變電磁法、BEAM法等。使用哪種方法應(yīng)結(jié)合具體地質(zhì)條件和現(xiàn)場條件綜合確定。
3 在盾構(gòu)機及TBM上安裝預(yù)報設(shè)備
在盾構(gòu)機或TBM上安裝超前地質(zhì)預(yù)報設(shè)備，一直是機械開挖的目標和方向，但目前的盾構(gòu)機和TBM基本上還沒有這方面的設(shè)備。日本一些學者，做過一些SSP(Sonic Soft Ground Probing)聲波前方預(yù)報的試驗工作(見下圖)，但目前仍沒有更深入的研究成果和更成熟的經(jīng)驗。
3.1 施工特點
盾構(gòu)機和TBM推進艙的場地很小，且前方的刀盤轉(zhuǎn)動要保持一定的前方壓力，這對預(yù)報技術(shù)、方法和裝置排列會帶來一定的困難。對地震法而言，機械開挖的振動較大、影響也大;對電磁類方法而言，干擾電流和機器本身金屬類感應(yīng)影響較大，掌子面現(xiàn)場也很難排布和操作，這些都造成了探測上的困難。
3.2 預(yù)報方法
在盾構(gòu)機和TBM上安裝固定的裝置進行超前地質(zhì)預(yù)報無疑是一個好的方向，由于機械設(shè)備及各種電流的干擾，在設(shè)備上安裝地震波反射法設(shè)備可能更為有效。筆者及所在團隊正在嘗試將干擾源作為激勵源進行超前地質(zhì)預(yù)報的研究。當然，利用角度偏移的地震反射法應(yīng)為首選。但對敞開式盾構(gòu)或TBM也可采用其他掌子面方法進行預(yù)報。
山嶺隧道正在朝"長、大、深"方向發(fā)展，由于其具體工程特點不同，所以采用的預(yù)報方法也不同。
1.1 工程特點
山嶺隧道通常較長、埋深較大，在前期勘察期間由于受技術(shù)手段和現(xiàn)場條件所限(如:勘查較粗，且地面條件較差;地表植物較多，不利于許多方法探測;許多地球物理方法的縱向分辨率隨著深度的增加而降低，且隧道開挖直徑僅16m，埋深150m，縱向分辨率為90%)，使地表探測的難度加大，前期勘察資料的準確度和可靠性就較差。
1.2 預(yù)報方法
山嶺隧道應(yīng)以掌子面超前地質(zhì)預(yù)報為主，而長距離預(yù)報應(yīng)以地震反射法中角度偏移法為主。其他電性方法，由于供電等原因，且探測距離較淺，可作為輔助方法。總則是"綜合參數(shù)(波速+電阻率)、長短結(jié)合(地震反射法+電性方法)"。地震反射法有:TSP、VSP、HSP、TRT、USP等。電性方法有:GPR地質(zhì)雷達、TEMT瞬變電磁法、BEAM激發(fā)極化法。鉆孔方法有彈性波和電磁波CT。預(yù)報時可根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜情況選擇使用。
2 地鐵淺埋暗挖法和盾構(gòu)法施工地鐵施工目前基本不做掌子面超前地質(zhì)預(yù)報，但并不表明地鐵施工不需要超前地質(zhì)預(yù)報。因為目前國內(nèi)大范圍地鐵施工仍在地表下20m以上施工，且地鐵隧道前期勘察資料相對山嶺隧道而言較為詳細;另外，地鐵所選線路基本都在原有城市道路下方，地鐵所穿越的上方既有市政設(shè)施及既有構(gòu)筑物基本已知;再者，地鐵主要建設(shè)在大型城市市域內(nèi)，而我國大多城市都建設(shè)在沖洪積平原上，土體隧道居多，當然也有巖質(zhì)隧道和較為復(fù)雜的巖溶地區(qū)。雖然，地鐵隧道遠比山嶺隧道地質(zhì)情況簡單，但是其修建于鬧市區(qū)，對地層變形和既有設(shè)施的保護又遠比山嶺隧道難于控制。所以，地鐵隧道對超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的需求是迫切的，技術(shù)要求更加精細，出現(xiàn)的問題也很多。現(xiàn)階段不做掌子面前方預(yù)報，主要受預(yù)報技術(shù)和儀器設(shè)備所限。
2.1 工程特點
1)埋深相對較淺，地質(zhì)情況相對簡單，但變化較頻繁，更注重對既有構(gòu)筑物的保護;2)對盾構(gòu)施工而言，更注重對大粒徑(50cm以上)卵礫石分布和詳細位置的探測與預(yù)報;3)對砂性土體則注重對空洞、水囊的探測;4)地下水對工程施工的影響很大，也是探測預(yù)報的重點。
2.2 預(yù)報方法由于地鐵施工埋深較淺，所以就國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)而言，地鐵前方預(yù)報方法應(yīng)以地面方法為主(20m以上)、掌子面方法為輔。但是地面探測受各種干擾影響較大，如振動、電磁干擾等等，目前北京地鐵開工前要進行地面雷達法空洞掃描探測，測線間距4m，探測深度基本在6m以上，而隧道實際開挖在10m以下，因此探測方法對隧道施工幫助不大。不過，利用較大震源的跨孔法探測也不失為一種好方法，但仍需要做進一步的試驗和研究。常采用的地面探測方法有:GPR地質(zhì)雷達、TEM瞬變電磁法、淺層地震法、高密度電阻率法、綜合參數(shù)跨孔法等;隧道掌子面預(yù)報方法有:USP地震反射法、GPR地質(zhì)雷達、TEMT瞬變電磁法、BEAM法等。使用哪種方法應(yīng)結(jié)合具體地質(zhì)條件和現(xiàn)場條件綜合確定。
3 在盾構(gòu)機及TBM上安裝預(yù)報設(shè)備
在盾構(gòu)機或TBM上安裝超前地質(zhì)預(yù)報設(shè)備，一直是機械開挖的目標和方向，但目前的盾構(gòu)機和TBM基本上還沒有這方面的設(shè)備。日本一些學者，做過一些SSP(Sonic Soft Ground Probing)聲波前方預(yù)報的試驗工作(見下圖)，但目前仍沒有更深入的研究成果和更成熟的經(jīng)驗。
3.1 施工特點盾構(gòu)機和TBM推進艙的場地很小，且前方的刀盤轉(zhuǎn)動要保持一定的前方壓力，這對預(yù)報技術(shù)、方法和裝置排列會帶來一定的困難。對地震法而言，機械開挖的振動較大、影響也大;對電磁類方法而言，干擾電流和機器本身金屬類感應(yīng)影響較大，掌子面現(xiàn)場也很難排布和操作，這些都造成了探測上的困難。
3.2 預(yù)報方法
在盾構(gòu)機和TBM上安裝固定的裝置進行超前地質(zhì)預(yù)報無疑是一個好的方向，由于機械設(shè)備及各種電流的干擾，在設(shè)備上安裝地震波反射法設(shè)備可能更為有效。筆者及所在團隊正在嘗試將干擾源作為激勵源進行超前地質(zhì)預(yù)報的研究。當然，利用角度偏移的地震反射法應(yīng)為首選。但對敞開式盾構(gòu)或TBM也可采用其他掌子面方法進行預(yù)報。
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