时间：2023-03-22 17:35:19
导语：在铁道安全论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
论文摘要：隧道工程是铁路、公路和水利水电等大型项目中的重要工程，因地质条件不明造成隧道施工事故的危害是巨大的，加强隧道施工地质超前预报工作是非常必要的。国内外对隧道地震波超前预报技术已研究多年，笔者就这方面的现状及进行了讨论，指出了TSP仪器技术存在的不足，阐述了克服盲目性、提高科学预报的重要性，介绍了新开发的TGP隧道地震波预报系统与技术及应用效果。
随着我国基本建设规模的扩大，隧道工程已经成为铁路、公路和水利水电等大型项目中的重要工程。隧道工程的重要性越来越显著，隧道工程的数量和长度明显增加，规模不断扩大。因此隧道工程的安全施工和贯通，是不可回避重要任务和技术难题。危及隧道工程施工的地质病害大致分为三类：1不良工程地质条件，诸如岩体的裂隙发育密集带、构造破碎带、岩溶发育带、以及人工采矿造成的不良地质条件和高地应力造成的危害等；2不良水文地质条件，诸如岩溶水、构造和裂隙水等；3不良环境条件，诸如有毒有害气体和强放射性的环境。对于以上地质问题，在隧道工程的勘察设计阶段，已经投入大量的地质勘察工作，但是由于地质、地形条件的复杂性和相应勘察技术的现状水平，以及时间、经费等条件的限制，勘察阶段的地质资料一般难于达到施工阶段的精度要求。国内外因地质条件不明造成隧道施工事故的教训是不少的，例如：日本越新干线中山隧道涌水淹没事件；前苏联贝加尔—阿穆尔干线上某隧道的突水事件；我国成昆线、大秦线、衡广复线建设中，因地质问题的停工时间约占到1/3；以及不久前发生的四川某隧道瓦斯爆炸，造成重大事故和人员伤亡。以上隧道施工事故的危害是巨大的，因此强调加强隧道施工地质超前预报工作是非常必要的。
我国隧道地震波超前预报技术的研究起始于上个世纪的90年代，铁道部第一勘测设计院物探队提出“负视速度方法”。铁道部第一勘测设计院是较早研究隧道地震超前预报的单位。他们在1992年7月，利用地震反射波方法对云台山隧道进行隧道超前预报，预报成果与开挖后的隧道左壁“破碎带”和“断层”的位置基本一致。从上个世纪90年代初开始，我国物探技术人员一直没有停止对隧道地震超前预报技术的研究。曾昭璜（1994）研究利用多波进行反演的“负视速度法”，这种方法利用来自掌子面前方的纵波、横波、转换波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所产生的负视速度同相轴来反演反射界面的空间位置与产状。北方交通大学的陈立成等人（1994）从全波震相分析理论和技术的角度研究隧道前方界面多波层析成像问题，进行隧道超前预报。他们的研究成果在颉河隧道、老爷岭隧道地质预报中应用，取得预期的效果。该方法的工作原理是以地震反射波方法为基础。工作中他们根据娴熟的地震反射波技术进行数据采集和数据解释，当时没有开发出针对隧道地震预报的处理系统，同时受当时条件所限制，该项技术未能得到进一步深入研究和发展。
1995年左右铁道部下属单位引进瑞士“TSP202” 隧道地震波超前预报的仪器，当时曾组织系统内有关地质和物探专家在隧道工点进行了试验，未见明显的效果，认为其技术与“负视速度方法”基本一致，对其处理解释系统争议较大、认识褒贬不一，试验工作无果而终，该设备技术的消化工作也就搁置了。时隔7年后，隧道安全施工要求进行地质预报，该仪器设备由铁路系统的工程局又开始第二次引进，并直接用于隧道施工的预报工作。可以说由于第一次引进消化工作不深入，造成第二次引进后出现：应用工作中的盲目性和简单化，以及其他一些不正常现象。在宜万铁路隧道施工中不断出现的问题，使人们开始反思，不少论文也提出了存在的问题，铁道部也下发文件要求科学地进行超前预报。可以说短短几年的应用实践，人们仍然在探索着地质预报技术的进步。
隧道地震波超前预报属于物探技术，但比地面的地震波物探技术复杂，我国的地质物探工作者一直没有放松该技术的研究工作。北京市水电物探研究所研究地震波勘察检测技术已经有近20年的历史，并且是多道瞬态面波勘察技术的发明单位，生产的SWS型工程勘察与工程检测仪器系统，已经为400多家勘察设计、高等院所广泛应用，并且出口日本等国家。2003年该所投入人力物力研究隧道地震波预报技术，研究TGP12型隧道地质超前预报仪器，以及孔中高灵敏度三分量检波设备，方便的孔中耦合技术，和Windows编程的数据处理软件系统。在经过大量的预报实践验证后，于2005年通过了由国家隧道中心王梦恕院士组织的国内著名隧道专家的评审鉴定。该仪器系统推向市场不到2年的时间，已经有近20台套投入到隧道超前地质预报工作中应用，反馈信息普遍受到用户的好评。
铁道部工程设计鉴定中心赵勇主编的《高速铁路隧道》一书，提出隧道地质超前预报的方法有以下部分组成：①地质分析、②超前平行导坑预报法、③超前水平钻孔法、④ 物理探测法。并阐述物理探测法与地质分析法、超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法相结合，解决不同地质灾害的应用原则。书中介绍了国产TGP隧道地震波预报系统，声波反射方法，地质雷达方法，红外探水方法等。
本文就隧道地震波预报技术中的若干关键问题，并结合应用中的实际问题阐述如下，目的在于引起同行们讨论，促进地震波预报技术理论水平的提高，促进采集数据质量的提高，促进资料的解释推断工作向合理化方向发展。
一、隧道地震波方法的预报原理
隧道地震预报工作利用地震反射波原理，在隧道内以排列方式激发的地震波，向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面会产生反射波。声阻抗是介质传播弹性波的速度与介质密度的函数，介质的声阻抗数值为速度与密度的乘积。因此地层中的岩性变化界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等界面会产生地震反射波，这种反射波被布置在隧道内的检波器接收，输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理，实现地质预报的目的。
由此可以看出，隧道地震波预报技术是通过直接探查声阻抗变化的界面，经过人工分析实现间接推断地质病害的方法。
图（2）不同夹角构造界面的地震波路径与反射波记录形态
图（1）示意与隧道斜交的构造面，其地震波传播的路径图，构造面上的地震波反射点在白色园内。图（2）示意不同夹角构造面的地震波路径与反射波记录形态，与隧道夹角不同的构造面其反射点位置不同，地震波传播路径偏离隧道轴线也不同。构造面与隧道正交时地震波传播路径与隧道轴线平行，右图为与隧道正交构造面产生的地震反射波记录，根据反射波同相轴计算得到界面与检波点之间岩体的地震波速度，该速度代表隧道围岩的性质。由非正交条件下地震反射波记录获得的速度为地震波传播路径岩体的“视速度”，“视速度”值的大小不仅与路径上岩体的性质有关，而且与界面和隧道的夹角有关。应用地震波预报构造面位置的计算是利用地震波在炮孔段的传播速度，各构造面之间岩体的速度是综合界面反射获得的“估算速度”，不是隧道围岩的真速度，应用中结合反射点偏离隧道轴线距离的远近和岩体的各项异性分布综合考虑使用。
图（2）是理想模式的三份量地震波时距曲线形态。实际工作中采集的地震波是错综复杂的，理想模式的地震波是不常存在的，记录上普遍存在有来自三维空间中多个方向的反射波，和各种形式的干扰波，这是应用技术中首先考虑的问题。
针对隧道地震波传播的复杂性，TGP地震预报系统不仅利用地震反射波走时关系，同时采集空间地震波三分量记录，进行地震波的极化分析与计算，该技术的突破有利于地质构造面产状、规模和地质体性质的预报。
二、TGP隧道地质超前预报系统
隧道地震波预报的早期研究，是由研究和利用地震波在时间空间域中的运动学特征开始的，工作中认识到仅仅利用地震波运动学和动力学特征是不够的。隧道工程的地震波在全三维环境条件下传播，这种条件比地面上的平面半无限空间条件复杂得多，而且隧道内地震波的接收与激发测线与探测目的是近于垂直或者大角度相交的条件，因此影响在地质构造面上获得大长度大面积的地震波信息量。针对这种状况，预报工作仅仅利用单一模态的地震波难以胜任。因此，TGP系统强化采集地震波的多波列信息，综合利用地震波的多波列震相信息，因此TGP系统的功能得到明显的增强。
TGP隧道地质超前预报系统包括仪器设备和处理软件两大部分。其中仪器设备有TGP型仪器主机、接收传感器、孔中定位安装工具和电缆等。图（3）是TGP隧道地质超前预报系统的主机。其处理软件由地震波数据输入与编排、空间坐标建立、能量均衡、干扰波分析与去除、触发时差校正、谱分析、纵横波分离、岩体速度参数计算、回波提取与偏移图、有效波分析与衰减参数计算、极化波处理与构造产状图、综合分析与绘制成果图等模块组成。
转贴于
工程应用中，TGP型隧道地质预报系统对于500多米距离的构造面具有清楚的地震反射波信息，说明仪器系统具有足够的信噪比。实际工作中考虑预报距离和分辨精度两方面要求，预报距离一般采用150米至200米。TGP型隧道地质预报系统具有登记全部测长距离内地质构造信息的功能，利用逐次递进的位置相关分析，和源生成果对比等处理功能，有利于去伪存真和排除异常，提高预报成果的质量。该系统2005年8月通过由国内知名隧道、地质、物探专家组成的专家组评审鉴定。专家们一致认为“TGP12仪器与相关的处理系统，性能稳定可靠，采集的波形完整，信噪比高，与国外同类仪器对比整体上具有国际先进水平，可替代进口产品。”具体评审意见如下：
1、TGP12是集信号放大，模数转换，数据采集、存储和控制为一体的密封防水防震的物探设备；优于利用微机装配式结构的仪器，TGP12适合在恶劣的隧道环境中使用。
2、TGP12的三分量速度型检波器具有高灵敏度，指向性强和较宽的频带响应等特点，因而拾取的地震波信号具有高的质量品质。TGP12孔中接收检波器采用黄油耦合，方便、经济、快捷。优于在钻孔中需要锚固异型钢导管的方式。2米长的钢导管难于携带、运输，价格昂贵，一次性使用，费事费工费财。
3、TGP12的地震波采集触发是开路触发方式，即信号线在雷管引爆炸药的同时被炸断，信号线同时开路触发仪器采集，仪器采集无延时差，保证定位的准确性。超前预报仪器若采用起爆器电脉冲同时触发电雷管和触发主机采集的方案，由于电雷管起爆的延时时间难于做到一致，因此会造成仪器采集的走时误差，这种触发方式在我国的地震波勘探规程中明确规定不宜使用，更何况隧道岩体的速度比覆盖层介质的速度高出几倍以上，以岩体波速4500m/s～ 5500m/s为例计算，每一毫秒误差会造成2～3m的预报距离误差，一般瞬发电雷管的延时误差不止一毫秒，因此由20多次激发的平均线计算隧道岩体速度，和利用存在误差的时间计算距离，两次误差的乘积造成的误差不容忽视。
4、TGPWIN隧道地震波处理分析软件借鉴了已有相关软件的长处，并充分考虑弹性波在三维空间的传播特点，以及根据TGP仪器采集的数据格式编写。功能特点如下：
（1）全中文界面，通俗易懂，对地震波信号的处理过程，直观、方便，具有友好的人机操作界面。
（2）对P波、SH波、和SV波的分离完善合理，这是超前地质预报数据处理的关键工作之一。
（3）处理软件具有相关部分互相检查的功能，例如点击偏移归位成果图上的反射界面位置，程序会转到该位置界面的反射波组位置，通过分析反射波组的连续性、反射波的极性和能量，确定偏移成果的可靠性和性质。有助于去伪存真，由此及彼，由表及里，深化认识，使预报结论科学可靠。
（4）TGPWIN处理中有自动处理方式，也有手动处理方式，有深入分析异常可靠程度的追踪功能，这样设计既适应非物探专业的普通工程技术人员使用，又适应物探专业人员分析地震波传播特性，对复杂地质条件进行深入研究工作的需要。
5、TGP12系统只要增加不多的配套附件和软件模块，就可以增加仪器用于隧道检测的其它功能，例如：对已衬砌的隧道进行衬砌脱空检测，检查隧道围岩中隐蔽的病害（岩溶）。也可以在掌子面上用锤击的激发方式做到短距离更为精确的地质预报，因而它是一机多能的设备。
TGP12的性价比与国外同类仪器相比具有明显的优势。而且研发、生产在国内，用户可以获得及时周到的技术服务和技术支持，以及仪器维修等方面的方便性。
三、工程应用实例
宜万铁路凉风亚隧道的岩性为灰岩， TGP12型仪器与进口TSP203仪器进行了同点试验，预报成果如下，见图（4）、图（5）。
Abstract: Due to many advantages in the municipal construction， the pipe technology is widely used. This paper introduces the construction characteristics of pipe technology， based on this， it mainly analyzes the application of pipe technology in the construction of municipal engineering， and discusses its problems， which has a certain reference for further improving the quality of pipe construction.
关键词：顶管技术；市政工程；应用；施工工序
Key words: pipe technology；municipal engineering；application；construction process
0 引言
地下管网是城市基础设施的重要组成部分，日夜肩负着传送信息和能量的重要任务。为城市处理污水的系统、自来水、煤气、电力和通讯设施等等都属于地下管网之内，要对上述市政设施进行改建、新建、扩建，需要工程技术人员进行安全的管道安装。传统的挖槽埋管地下管线施工技术由于对地面交通影响较大，使本来就拥挤繁忙的城市交通如同雪上加霜，同时给市民工作、生活带来许多不便，特别在人口稠密的城市和交通拥挤的地区以及不允许开挖的地段，这个矛盾就更加突出。市政工程如何使这些安装工程对城市的影响减至最小，如何尽可能减少对人们日常生活的影响。已经成了一个迫切解决的问题。
非开挖技术将完全能解决这些难题，提供安全及经济的施工方法。非开挖技术是指利用少开挖和不开挖技术来进行地下管线的铺设或更换的工艺。顶管技术就是在这种情况下发展起来的一种非开挖技术，其在国外已广泛使用，在国内也已逐渐普及。随着顶管技术在市政工程的广泛运用，本论文主要讨论在顶管作业施工过程中出现了一些具体的技术问题，值得施工技术人员重视，并以此和同行共享。
1 顶管施工的特点
顶管法又称为非开挖管道敷设技术，它具有不需要开挖面层，就能穿越地面构筑物和地下管线吸公路、铁路、河道的特点，相比开挖敷设技术，投资和工期将大大节省。同时，顶管施工技术可以降低噪音，减少粉尘，减轻对城区的交通条件和环境状况的干扰和破坏，属于真正的无污染、高效率的施工技术。顶管施工法由于其上述多方面的优点，在市政工程中尤其是在市政管线工程中得到了广泛地应用。概括起来，顶管施工技术具有几大方面的优点：施工面由线缩成点，占地面积小；地面活动不受施工影响，对交通干扰小；噪音和震动低，城市中施工对居民生活环境干扰小，不影响现有管线及构筑物的使用；可以在很深的地下或水下敷设管道，可以安全穿越铁路、公路、河流、建筑物，减少沿线的拆迁工作量，降低工程造价。
2 顶管技术施工应用分析
2.1 顶进管的选择 顶进管一般选用钢筋砼管，如没有腐蚀要求可选用钢管。钢筋砼管的规格设计、配筋和应力验算应遵守有关钢筋砼的标准和技术规程，特别是有关钢筋砼管的标准和技术规程。①顶进管直径的选择：顶进管的直径选择是首先根据工程性质、工程需要确定内径，根据顶进管所受荷载确定砼管的配筋及壁厚，进而确定外径。因为顶管工程工作面上需要配备挖土工人，所以一般管内径不小于500mm；②顶进管长度的选择：顶进管的长度对顶管过程的可控性和经济性有很大的影响。在直线推顶的情况下使用长管可以减少装管的次数，取得良好的效果，但随着管长度的增长，如果偏离原定的路线，使之恢复正确路线要比使用短管更加困难。建造顶压坑时顶压坑的长度也要增大，挖坑、支护、回填、修复的费用将相应地增加。
一般情况下，管长度须相对于管径来衡量，当L/D外≤1.10时，为短管；当L/D外=1.15时，为标准管；当IJD外≥2.10时为长管。
2.2 顶管施工的前期准备 ①现场平面布置：平面总体布置包括起重设备、自动控制室、料具间、管片堆场、拌浆棚及拌浆材料堆场、注水系统、弃土坑的布置等。始发工作井内安装发射架、顶管机、前顶铁、主推千斤顶、反力架等顶进设备，工作井边侧设置下井扶梯供施工人员上下；②顶管机进、出洞处以及后靠土体加固：为确保顶管机出洞的绝对安全，需对后靠土体及进、出洞区域土体进行高压旋喷桩加固。为防止顶管机进、出预留洞导致泥水流失，并确保在顶进过程中压注的触变泥浆不流失，必须在工作井安装止水装置。
2.3 顶管施工的工艺：顶管施 叉称为顶进法施工，是指利用顶进设备将预制成椭圆形或圆形构造物逐渐顶入路基，以构成立体交义通道或涵洞的施工方法。顶管施工需先在确定的管段之间设置工作井和接收井，然后在工作井内安装推力设备将导轨上的顶管机头推入土体，由机头导向，将预制的钢筋混凝土管向前顶进，前端土体通过工作井运出，最后完成管道铺设。
2.3.1 顶管井的设计：顶管井分工作井与接收井两种，顶管井的建造结构有很多种类，一般使用钢筋混凝土结构。工作井的结构形式通常有单孔井和单排孔井。前者形状有圆形、正方形、矩形等，后者则大多为矩形，它们的结构受力性能由高至低依次为圆形一正方形一矩形。
2.3.2 顶管施工工序 ①穿墙：打开穿墙闷板将工具管顶出井外，并安装穿墙止水装置，主要技术施工措施1）穿墙管内填夯压密实的纸筋粘土或低强度水泥粘土拌和土，以起到临时性阻水挡土作用；2）为确保穿墙孔外侧一定范围内土体基本稳定并有足够强度，工作井工具管穿墙前，对穿墙管外侧采取注浆固结措施；3）穿墙前对可能出现的问题进行分析并制定相应处理措施；4）闷板开启后迅速推进工具管，同时做好穿墙止水，本工程采用止水法兰加压板，中间安入20mm厚的天然优质橡胶止水板环，要求具有较高的拉伸率和耐磨性，借助管道顶进带动安装好的橡胶板形成逆向止水装置，应防止因穿墙管外侧的土体暴露时间过长而产生扰动流变。②顶管出洞：顶管出洞是顶管作业中一个很值得注意的问题，顶管出洞，即顶管机和第一节管子从工作井中破出洞口封门进入土中。开始正常顶管前的过程，是顶管技术中的关键工序，也是容易发生事故的工序。为防止管线出现偏斜，应采取工具管调零，在工具管下的井壁上加设支撑，若发现下跌立即用主顶油缸进行纠偏，工具管出洞前预先设定一个初始角弥补下跌等措施。③注浆减阻：在顶管施工中还有一个重要的技术措施就是通过压注触变泥浆填充管道周围的空隙，形成一道泥浆保护套，起到支撑地层，减少地面沉降，减少顶进阻力的作用。在施工中，首先对顶管机头尾部压浆，并要与顶进工作同步，然后在中续间和混凝土管道的适当位置进行跟踪补浆，以补充在顶进中的泥浆损失。注浆工序一般多应用于长距离顶管施工中。④顶管纠偏：纠偏是指机头偏离设计轴线后，利用设置在后部的纠偏千斤顶组，改变机头端面的方向，减少偏差，使管道沿设计轴线顶迸。顶进纠偏是采用调整4台纠偏千斤顶组方法，进行纠偏操作，若管道偏左则千斤顶采用左伸右缩，反之亦然。
3 膨润土悬浮液在疏松土层中的应用
在无粘性的疏松土层中以及在粘性很小的土壤中，例如在砂砾土中，若不采取其它辅助措施，土层由于本身极不稳定，以致在刃脚推进之后立刻就会坍落在管壁上。所以对这类土壤来说，膨润土悬浮液的支承作用尤其具有重要意义。为了起到这种支承作用，先决条件是要尽可能准确地掌握膨润土悬浮漓在砂砾上中的特性。膨润上悬浮液将渗人土层的孔隙内，充满孔隙，并继续在其中流动。流速取决于孔隙的横断面与悬浮液的流变特性，同时也取决于压浆压力。因此为了在同样的压浆压力下达刭相同的渗入深度，在孔隙横断面很小的细粒土层中便需要低流限的悬浮液，面孔隙横断面较大的粒粒土层则需要高流限的悬浮液。在克服流动阻力的过程中，压浆压力随着渗入深度的增加而成比例地衰减，所以相应每一种压浆压力，都有一个完全确定的渗入深度。
尽管就某种场合来说，随着管子的推进同时在管子整个圆周上和管路全部长度上均匀地压浆证明是相宜的，而在另一些场合下，正确的方法则又可能是分段压浆。例如现已得知，在管子下半部，膨润土在顶进过程中比静止状态下更容易流出，而上半部的压浆则是在管路静止的情况下更容易进行。因此最好是将管子下半都的注浆孔和上半部的注浆孔分别组合起来。这种半侧压出韵原因在于，静止状态的管道以其全部很大的重量沉落于底部。这样便在管道的顶部形成了小空隙，或者至少是形成了一个压力较低的区域。因而在这种状态下，膨澜土在管顶处比在管底部更容易流出。反之，在顶压力和浮力同时作用下，管道有向上拱起的倾向。这时管道离地升起，于是管底下方便形成了一个低压区，致使膨润土更加容易渗入其中并均匀地散开。
4 顶进管在膨润土悬浮浪中受到的浮力
只要顶进管在整个圆周上被膨润土悬浮液所包围，浮力定律便对它有效，即使悬浮液层的厚度很小也同样如此。在钢筋混凝土管情况下，浮力均为管子自重的1.4倍。这样，只要通过正确地压人膨润土悬浮液，从而在土层中围绕顶进管形成一个支承环带，并保持悬浮液压力等于土压力，于是管子就会在膨润土悬浮液中漂浮起来。为此必需的前提在于悬浮液应是液体状态的，亦即呈现为表观流限相应较低的溶胶状态。在悬浮液的膨润土含量低到接近运动状态下的稳定极限时，这个条件便能得到满足。浮力可使管外璧摩阻力减小，因为管底部由于自重产生的法向力减少了。这一效果首先会对大直径管子的长距离推顶产生有利的影响
5 结语
顶管设计在市政工程中，特别是深覆土大管径的管道工程和交通繁忙的城市主干道改造工程设计中显得尤为重要。在特定工程条件下，相对与开槽埋管更具优越性。时代要前进，城市要发展。市政设施配套完善，地下各种管道建设将会大量增加，顶管设计和施工也会增多。管径加大，长度加长，有直有曲，种类繁多，这将是今后大城市顶管施工的发展趋势。因此，我们要重视这个良机，进一步地完善和提高我们的顶管设计和施工技术，使之综合施工技术达到国际水平。
参考文献：
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论文摘要：隧道工程是铁路、公路和水利水电等大型项目中的重要工程，因地质条件不明造成隧道施工事故的危害是巨大的，加强隧道施工地质超前预报工作是非常必要的。国内外对隧道地震波超前预报技术已研究多年，笔者就这方面的现状及进行了讨论，指出了TSP仪器技术存在的不足，阐述了克服盲目性、提高科学预报的重要性，介绍了新开发的TGP隧道地震波预报系统与技术及应用效果。
随着我国基本建设规模的扩大，隧道工程已经成为铁路、公路和水利水电等大型项目中的重要工程。隧道工程的重要性越来越显著，隧道工程的数量和长度明显增加，规模不断扩大。因此隧道工程的安全施工和贯通，是不可回避重要任务和技术难题。危及隧道工程施工的地质病害大致分为三类：1不良工程地质条件，诸如岩体的裂隙发育密集带、构造破碎带、岩溶发育带、以及人工采矿造成的不良地质条件和高地应力造成的危害等；2不良水文地质条件，诸如岩溶水、构造和裂隙水等；3不良环境条件，诸如有毒有害气体和强放射性的环境。对于以上地质问题,在隧道工程的勘察设计阶段，已经投入大量的地质勘察工作，但是由于地质、地形条件的复杂性和相应勘察技术的现状水平，以及时间、经费等条件的限制，勘察阶段的地质资料一般难于达到施工阶段的精度要求。国内外因地质条件不明造成隧道施工事故的教训是不少的，例如：日本越新干线中山隧道涌水淹没事件；前苏联贝加尔—阿穆尔干线上某隧道的突水事件；我国成昆线、大秦线、衡广复线建设中，因地质问题的停工时间约占到1/3；以及不久前发生的四川某隧道瓦斯爆炸，造成重大事故和人员伤亡。以上隧道施工事故的危害是巨大的，因此强调加强隧道施工地质超前预报工作是非常必要的。
我国隧道地震波超前预报技术的研究起始于上个世纪的90年代，铁道部第一勘测设计院物探队提出“负视速度方法”。铁道部第一勘测设计院是较早研究隧道地震超前预报的单位。他们在1992年7月，利用地震反射波方法对云台山隧道进行隧道超前预报，预报成果与开挖后的隧道左壁“破碎带”和“断层”的位置基本一致。从上个世纪90年代初开始，我国物探技术人员一直没有停止对隧道地震超前预报技术的研究。曾昭璜（1994）研究利用多波进行反演的“负视速度法”，这种方法利用来自掌子面前方的纵波、横波、转换波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所产生的负视速度同相轴来反演反射界面的空间位置与产状。北方交通大学的陈立成等人（1994）从全波震相分析理论和技术的角度研究隧道前方界面多波层析成像问题，进行隧道超前预报。他们的研究成果在颉河隧道、老爷岭隧道地质预报中应用，取得预期的效果。该方法的工作原理是以地震反射波方法为基础。工作中他们根据娴熟的地震反射波技术进行数据采集和数据解释，当时没有开发出针对隧道地震预报的处理系统，同时受当时条件所限制，该项技术未能得到进一步深入研究和发展。
1995年左右铁道部下属单位引进瑞士“TSP202”隧道地震波超前预报的仪器，当时曾组织系统内有关地质和物探专家在隧道工点进行了试验，未见明显的效果，认为其技术与“负视速度方法”基本一致，对其处理解释系统争议较大、认识褒贬不一，试验工作无果而终，该设备技术的消化工作也就搁置了。时隔7年后,隧道安全施工要求进行地质预报,该仪器设备由铁路系统的工程局又开始第二次引进，并直接用于隧道施工的预报工作。可以说由于第一次引进消化工作不深入，造成第二次引进后出现：应用工作中的盲目性和简单化，以及其他一些不正常现象。在宜万铁路隧道施工中不断出现的问题，使人们开始反思，不少论文也提出了存在的问题,铁道部也下发文件要求科学地进行超前预报。可以说短短几年的应用实践,人们仍然在探索着地质预报技术的进步。
隧道地震波超前预报属于物探技术，但比地面的地震波物探技术复杂，我国的地质物探工作者一直没有放松该技术的研究工作。北京市水电物探研究所研究地震波勘察检测技术已经有近20年的历史，并且是多道瞬态面波勘察技术的发明单位，生产的SWS型工程勘察与工程检测仪器系统，已经为400多家勘察设计、高等院所广泛应用，并且出口日本等国家。2003年该所投入人力物力研究隧道地震波预报技术，研究TGP12型隧道地质超前预报仪器，以及孔中高灵敏度三分量检波设备，方便的孔中耦合技术，和Windows编程的数据处理软件系统。在经过大量的预报实践验证后，于2005年通过了由国家隧道中心王梦恕院士组织的国内著名隧道专家的评审鉴定。该仪器系统推向市场不到2年的时间，已经有近20台套投入到隧道超前地质预报工作中应用，反馈信息普遍受到用户的好评。
铁道部工程设计鉴定中心赵勇主编的《高速铁路隧道》一书，提出隧道地质超前预报的方法有以下部分组成：①地质分析、②超前平行导坑预报法、③超前水平钻孔法、④物理探测法。并阐述物理探测法与地质分析法、超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法相结合，解决不同地质灾害的应用原则。书中介绍了国产TGP隧道地震波预报系统,声波反射方法，地质雷达方法，红外探水方法等。
本文就隧道地震波预报技术中的若干关键问题，并结合应用中的实际问题阐述如下，目的在于引起同行们讨论，促进地震波预报技术理论水平的提高，促进采集数据质量的提高，促进资料的解释推断工作向合理化方向发展。
一、隧道地震波方法的预报原理
隧道地震预报工作利用地震反射波原理，在隧道内以排列方式激发的地震波，向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面会产生反射波。声阻抗是介质传播弹性波的速度与介质密度的函数，介质的声阻抗数值为速度与密度的乘积。因此地层中的岩性变化界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等界面会产生地震反射波，这种反射波被布置在隧道内的检波器接收，输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理，实现地质预报的目的。
由此可以看出，隧道地震波预报技术是通过直接探查声阻抗变化的界面，经过人工分析实现间接推断地质病害的方法。
图（2）不同夹角构造界面的地震波路径与反射波记录形态
图（1）示意与隧道斜交的构造面，其地震波传播的路径图，构造面上的地震波反射点在白色园内。图（2）示意不同夹角构造面的地震波路径与反射波记录形态，与隧道夹角不同的构造面其反射点位置不同，地震波传播路径偏离隧道轴线也不同。构造面与隧道正交时地震波传播路径与隧道轴线平行，右图为与隧道正交构造面产生的地震反射波记录，根据反射波同相轴计算得到界面与检波点之间岩体的地震波速度，该速度代表隧道围岩的性质。由非正交条件下地震反射波记录获得的速度为地震波传播路径岩体的“视速度”，“视速度”值的大小不仅与路径上岩体的性质有关，而且与界面和隧道的夹角有关。应用地震波预报构造面位置的计算是利用地震波在炮孔段的传播速度，各构造面之间岩体的速度是综合界面反射获得的“估算速度”，不是隧道围岩的真速度，应用中结合反射点偏离隧道轴线距离的远近和岩体的各项异性分布综合考虑使用。
图（2）是理想模式的三份量地震波时距曲线形态。实际工作中采集的地震波是错综复杂的，理想模式的地震波是不常存在的，记录上普遍存在有来自三维空间中多个方向的反射波，和各种形式的干扰波，这是应用技术中首先考虑的问题。
针对隧道地震波传播的复杂性，TGP地震预报系统不仅利用地震反射波走时关系，同时采集空间地震波三分量记录，进行地震波的极化分析与计算，该技术的突破有利于地质构造面产状、规模和地质体性质的预报。
二、TGP隧道地质超前预报系统
隧道地震波预报的早期研究，是由研究和利用地震波在时间空间域中的运动学特征开始的，工作中认识到仅仅利用地震波运动学和动力学特征是不够的。隧道工程的地震波在全三维环境条件下传播，这种条件比地面上的平面半无限空间条件复杂得多，而且隧道内地震波的接收与激发测线与探测目的是近于垂直或者大角度相交的条件，因此影响在地质构造面上获得大长度大面积的地震波信息量。针对这种状况，预报工作仅仅利用单一模态的地震波难以胜任。因此，TGP系统强化采集地震波的多波列信息，综合利用地震波的多波列震相信息，因此TGP系统的功能得到明显的增强。
TGP隧道地质超前预报系统包括仪器设备和处理软件两大部分。其中仪器设备有TGP型仪器主机、接收传感器、孔中定位安装工具和电缆等。图（3）是TGP隧道地质超前预报系统的主机。其处理软件由地震波数据输入与编排、空间坐标建立、能量均衡、干扰波分析与去除、触发时差校正、谱分析、纵横波分离、岩体速度参数计算、回波提取与偏移图、有效波分析与衰减参数计算、极化波处理与构造产状图、综合分析与绘制成果图等模块组成。
工程应用中，TGP型隧道地质预报系统对于500多米距离的构造面具有清楚的地震反射波信息，说明仪器系统具有足够的信噪比。实际工作中考虑预报距离和分辨精度两方面要求，预报距离一般采用150米至200米。TGP型隧道地质预报系统具有登记全部测长距离内地质构造信息的功能，利用逐次递进的位置相关分析，和源生成果对比等处理功能，有利于去伪存真和排除异常，提高预报成果的质量。该系统2005年8月通过由国内知名隧道、地质、物探专家组成的专家组评审鉴定。专家们一致认为“TGP12仪器与相关的处理系统，性能稳定可靠，采集的波形完整，信噪比高，与国外同类仪器对比整体上具有国际先进水平，可替代进口产品。”具体评审意见如下：
1、TGP12是集信号放大，模数转换，数据采集、存储和控制为一体的密封防水防震的物探设备；优于利用微机装配式结构的仪器，TGP12适合在恶劣的隧道环境中使用。
2、TGP12的三分量速度型检波器具有高灵敏度，指向性强和较宽的频带响应等特点，因而拾取的地震波信号具有高的质量品质。TGP12孔中接收检波器采用黄油耦合，方便、经济、快捷。优于在钻孔中需要锚固异型钢导管的方式。2米长的钢导管难于携带、运输，价格昂贵，一次性使用，费事费工费财。
3、TGP12的地震波采集触发是开路触发方式，即信号线在雷管引爆炸药的同时被炸断，信号线同时开路触发仪器采集，仪器采集无延时差，保证定位的准确性。超前预报仪器若采用起爆器电脉冲同时触发电雷管和触发主机采集的方案，由于电雷管起爆的延时时间难于做到一致，因此会造成仪器采集的走时误差，这种触发方式在我国的地震波勘探规程中明确规定不宜使用，更何况隧道岩体的速度比覆盖层介质的速度高出几倍以上，以岩体波速4500m/s～5500m/s为例计算，每一毫秒误差会造成2～3m的预报距离误差，一般瞬发电雷管的延时误差不止一毫秒，因此由20多次激发的平均线计算隧道岩体速度，和利用存在误差的时间计算距离，两次误差的乘积造成的误差不容忽视。
4、TGPWIN隧道地震波处理分析软件借鉴了已有相关软件的长处，并充分考虑弹性波在三维空间的传播特点，以及根据TGP仪器采集的数据格式编写。功能特点如下：
（1）全中文界面，通俗易懂，对地震波信号的处理过程，直观、方便，具有友好的人机操作界面。
（2）对P波、SH波、和SV波的分离完善合理，这是超前地质预报数据处理的关键工作之一。
（3）处理软件具有相关部分互相检查的功能，例如点击偏移归位成果图上的反射界面位置，程序会转到该位置界面的反射波组位置，通过分析反射波组的连续性、反射波的极性和能量，确定偏移成果的可靠性和性质。有助于去伪存真，由此及彼，由表及里，深化认识，使预报结论科学可靠。
（4）TGPWIN处理中有自动处理方式，也有手动处理方式，有深入分析异常可靠程度的追踪功能，这样设计既适应非物探专业的普通工程技术人员使用，又适应物探专业人员分析地震波传播特性，对复杂地质条件进行深入研究工作的需要。
5、TGP12系统只要增加不多的配套附件和软件模块，就可以增加仪器用于隧道检测的其它功能，例如：对已衬砌的隧道进行衬砌脱空检测，检查隧道围岩中隐蔽的病害（岩溶）。也可以在掌子面上用锤击的激发方式做到短距离更为精确的地质预报，因而它是一机多能的设备。
TGP12的性价比与国外同类仪器相比具有明显的优势。而且研发、生产在国内，用户可以获得及时周到的技术服务和技术支持，以及仪器维修等方面的方便性。
三、工程应用实例
宜万铁路凉风亚隧道的岩性为灰岩，TGP12型仪器与进口TSP203仪器进行了同点试验，预报成果如下，见图（4）、图（5）。
由以上成果图可以看出：在DK53+322—DK53+346；DK53+370—DK53+380；DK53+390—DK53+420三处存在构造异常，其中DK53+322—DK53+346、DK53+370—DK53+380两处的Vsh波比Vp波反射幅度大，推断以上两处构造带存在有充水或岩溶发育的可能性、。此结论经过日后的隧道开挖证明完全正确。在隧道施工的《变更设计建议书》中结论：“在隧道左壁的DK53+322段发现岩溶，溶蚀带宽度为2.5米，溶蚀带穿过隧道拱顶至右壁的DK53+340米段，并向边墙外延伸，雨后DK53+322处溶洞有较大水量流出，DK53+339处溶洞有少量渗水。该段围岩较破碎，节理发育，受溶洞影响，拱顶岩层出现楔体破坏、掉块”。
TGP12型隧道地质预报系统在云南水富高速公路冷水溪隧道，宜万铁路王家岭隧道、凉风垭隧道，青岛海滨高速仰口隧道，重庆地区数条公路隧道，以及武广客运专线大瑶山隧道等工程使用，获得满意的预报效果。
1、隧道地震波超前预报的概念解释
隧道地震波超前预报技术翻译成英语是“TunnelSeismicPrediction”，简称“TSP”。在我国《客运专线铁路隧道施工技术指南》的第5.0.8条使用了“TSP”缩写词。一般规程中使用缩写英语字母表示某种技术是正常的事情，但是在隧道地质超前预报工作中却出现被歪曲利用的现象，把“TSP技术”歪曲解释成“TSP***仪器”。这种现象对隧道超前预报技术的应用，造成了不良的影响。在有的地方和部门的隧道施工招标和设备招标工作文件中也存在把“TSP技术”歪曲解释成“TSP***仪器”的现象，这是对隧道地震波预报技术缺乏科学认识。
因此，正确认识：“TSP技术”即隧道地震波超前预报技术，有益于正确执行我国的现行隧道规程规范和法规，有益于隧道工程的招投标工作，有益于隧道地震波预报技术的进步，有益于诚实诚信的预报技术服务。
2、隧道地震波预报中的接收与激发问题
在隧道地震预报工作中，有的采用把接收与激置在隧道的洞壁上，这种做法不妥当。众所周知，洞壁的表面波传播较强，对地震反射波会形成不容忽视的干扰。同时钻爆施工影响洞壁岩体松动，局部超欠挖使得洞壁岩体不平整和完整性差，接收检波器和激发点受局部岩体影响大，地震波的传播和衰减比较复杂，严重影响地震波记录的一致性，大大降低有效波的信噪比。因此不宜采取在洞壁激发与接收的做法。
有关
在洞壁激发和接收中面波的干扰问题，原清华大学声学教研室的沈建国教授曾经作过物理模型试验，见图（6）。模型设计在隧道前方有一个溶洞，洞径与隧道断面相当，分别在洞壁的4个深度布置接收排列。
图（7）是洞壁采集的地震波记录，图（8）是在洞壁一定深度内采集的地震波记录。图中：蓝色直线Vp表示直达纵波；蓝色曲线Vp1表示溶洞的反射纵波；红色直线Vr的后面表示面波。由图（7）与图（8）对照可以看到：图（7）面波Vr幅度强，溶洞的反射波无法分辨；图（8）的面波Vr幅度大大减弱，溶洞的反射波较清晰的表现出来。这个模型试验的结果明确说明面波的干扰在钻孔一定深度呈现减弱的趋势。因此，在隧道地震波超前预报检测工作中，采取孔中激发和接收技术措施压制面波非常必要，是提高反射回波记录信噪比质量的重要环节。
TGP隧道地震波预报系统的接收和激发，结合现场施工的方便性，要求钻孔的深度为2.0米。钻孔中采用炸药爆炸产生震源，控制使用小药量炸药，在有条件的地方尽量使用高爆速炸药，同时在孔中充水的条件下爆炸。在充水的条件下爆炸有以下好处：易于产生高频地震波，提高分辨率；同时爆炸泄放到隧道内的爆炸声音小，减弱隧道管波的干扰能量；爆炸时水由孔中喷出的过程有益于产生水平偏振，加强横波的能量，有利于地震预报工作中实现采集高质量的多波信息，实现多波多参数的预报目的。钻孔中接收，采用具有高指向性和高灵敏度的三分量接收探头安置在钻孔的底部，通过耦合剂实现与钻孔壁的直接接触，检波器信号输出采用软电缆，和采用吸声软材料封堵钻孔口等措施，对于高保真地接收地震有效波信号，减少产生干扰波环节等方面很有益处。
3、隧道地震波预报中的干扰波
在隧道地震波采集过程中，存在着多种干扰波，对此必须有明确地认识。例如：对头隧道施工和邻洞施工的干扰波；地表地形和来自其他方向的反射波干扰；洞内电磁波干扰；以及接收装置设计不当产生的干扰波等等。正确认识干扰波和产生的原因，才会采取正确的措施获得高质量的现场地震波记录。下面重点讨论隧道管波的干扰问题。
隧道管波由激发孔爆炸时声波泄放到隧道中产生，被接收传感器接收造成对记录的干扰，见图9。
图中地震记录50毫秒以下出现的呈斜线“黑点”，在右图中斜线用“紫线”表示，由记录上的时距线计算“紫线”表示的速度为340m/s，该线以下的波（左半图中黑色部分）为空气中传播的声波，我定义这种波为“隧道管波”，“隧道管波”出现后覆盖其后出现的地震反射波。“隧道管波”幅度的大小与激发和接收条件有关，“隧道管波”在地震记录上出现的位置与采集偏移距离有关。该紫色线位置为偏移距离为20m的“隧道管波”出现位置。图中蓝色线表示速度为4500m/s的前行纵波和反射纵波，红色线表示速度为2500m/s的前行横波和反射横波。上部的蓝色线Vp和红色线Vs分别表示由震源向前传播的直达纵波与横波。下部的多条蓝色线Vp100、Vp150、Vp200分别表示掌子面前方100米、150米、200米距离处构造面的反射纵波，多条红色线Vs100、Vs150分别表示掌子面前方100米、150米距离处构造面的反射横波。由图看出有30%地震道的反射纵波和50%以上地震道的反射横波淹没在“隧道管波”的干扰中。如果隧道围岩的纵波速度低于4500米/秒、横波速度低于2500米/秒，将会有更多的地震道淹没在“隧道管波”的干扰中，其中影响横波的程度更为严重，这种现象严重影响纵、横波双参数预报。
我提出隧道管波的严重干扰问题，希望引起足够的重视，加强地震波检测理论的学习，克服对有效波和干扰波不加区分，盲目按照流程进行处理的做法，才可以纠正成果中以夹杂干扰波假象进行预报的局面。
在京西梨园岭隧道TGP206与TSP200在同一次预报中进行试验对比，发现TSP200仪器采集的记录中有严重的隧道管波，TGP206仪器采集的记录中无隧道管波。两台仪器工作中使用同一批24炮震源和在同一位置接收，采集的地震波记录出现如此之大的区别，关键在TSP200仪器的接收装置设计不合理。我分析过近百个TSP203与TSP200仪器采集的记录文件，记录上普遍存在着“隧道管波”，检查数据处理的过程中也未见对干扰波进行处理，而是作为地震反射波数据参与了处理，隧道管波干扰的假象混杂在预报成果图中。近几年，我看到的使用TSP203和TSP200资料发表的预报文章中，其现场采集的偏移距离（接收到最近激发炮之间的距离）普遍使用15米或者20米，炮孔之间的距离为1.5米至2米左右。在隧道管波干扰的情况下，这种布置采集的记录见图（9），记录上的隧道管波是构成对有效波预报的严重干扰。我们对以如上参数采集的记录作个初步的分析，假设岩体条件为完整的微风化硬岩，以岩体的纵波速度为4500米/秒，横波速度为2500米/秒计算，未受隧道管波干扰的距离：纵波成果为120米左右，横波成果为60米左右。以现行TSP200或者TSP203双参数预报的做法评论，其未受隧道管波干扰的预报距离为60米左右。如果岩体条件降低，双参数预报的距离还要大打折扣。如果按预报150米距离分析，其中有90米左右的距离中包含有隧道管波的假象资料。请有关使用者自己检查已经处理过的文件，分析我的结论是否有道理。也不妨召开一个有代表性，而且能够深度研究隧道地震波预报技术的会议，研讨是否存在隧道管波干扰的问题和改进措施。
我提出一个不得已而为之的方法，供大家思考。根据各种波传播路径和速度差异的原理，即隧道管波在隧道内的空气中传播，其速度低，地震波在岩体中传播其速度高，现场采用加大偏移距离进行预报数据的采集方法，利用岩体的地震波速度明显高于空气中声波速度的条件，使隧道管波下移，延迟隧道管波在地震波记录出现的时间，加大反射波接收的时间窗口，可以起到加大预报距离的目的。图（10）下部标注有20、30、40的三条紫色线分别表示：偏移距离为20米、30米、40米情况下的隧道管波的出现位置。由图可见，如果采用40米的偏移距离，隧道管波下移，反射波的时间窗口加大，在岩体为完整微风化硬岩的条件下，纵波反射基本上不受干预，横波反射受影响的地震道约为30%。这种方法的不利点是偏移距离加大会影响到地震波频率的降低和能量的衰减，但是权衡利弊，实现“隧道管波”下移的方法，避开隧道管波的干扰，无疑是一个不坏的办法。
隧道管波在记录上的幅度与激发泄放到隧道中的能量，以及接收装置系统对隧道管波的压制能力有关。“隧道管波”产生的源头在激发，在激发孔没有注满水、或激发孔太浅的条件下，激发能量会大量泄放到隧道内。因此，注意改善激发条件有利于减弱隧道管波的干扰。
有关是否可以采取滤波方式处理“隧道管波”的问题。“隧道管波”的频率与激发条件、接收装置条件、以及隧道围岩的性质等有关系，也存在接收装置系统在受震条件下产生次生震荡波，综合起来的干扰波比较复杂。通过滤波方式处理不宜实现滤除目的，如果采用的滤波参数不合理，还会产生改变地震波信息造成其它成果假象的可能性。
4、隧道埋深与预报距离
有一位从事海底隧道地震波超前预报的工程师向我询问有关预报距离的问题，海底隧道在基岩和海底的沉积地层中穿过，如果基岩面的起伏较大，这一类情况与地面上的浅埋隧道一样。在隧道地震超前预报中，海底地形界面和起伏的基岩面同样是地震波的反射面，因此，地形界面和土石界面产生的反射波，与地质构造面产生的反射波均会被仪器接收并叠加在一起，造成地震波记录复杂化。所以，在海底隧道或者浅埋隧道进行超前预报时，要综合考虑上述影响，合理确定预报的距离。一般在无法剔除地形等界面反射波影响的条件下，控制预报距离小于隧道埋藏深度为宜，对于大于埋深的距离预报要慎重。
5、关于围岩参数的预报问题
关于隧道围岩参数的预报问题，应该明确两个问题：一是地震波预报方法获得围岩参数的原理和作用；二是利用围岩参数变更隧道围岩级别的合理性。
地震波预报方法获得的基本参数是纵波速度和横波速度，其他参数均是由此计算得到的二级参数。利用地震波方法求取速度参数计算的过程中，速度数值与介质本身和反射界面的角度两个变量有关系。在地震波预报求取速度的过程中，以测量段（炮孔段）岩体速度为基本参考值，计算中同时考虑岩体反射界面的反射幅度强弱作为计算因素，带有相关比较的性质，因此得到的速度数值称为估算速度，利用估算速度曲线的分布作为分析相邻岩体的定性比较具有一定的合理性。但是，它既不是常规地震波勘探中的均方根速度，也不是岩体的真速度。
地质界面与隧道的关系，地质界面正交隧道轴线的情况应该说是个别的，普遍存在的应该是与隧道存在夹角的情况，因此普遍存在的是地震反射波路径与隧道轴线不重合，地质界面与隧道的夹角越小（以正交为90度），地震波路径与隧道轴线的夹角越大，即地震波路径偏离隧道越远。因此，利用地震反射波路径方向上的速度代表隧道围岩，存在不合理性，因为地质岩体具有的非均质、非连续和各向异性是不容忽视的。
在明确地震波预报获取的速度含义以后，我们来分析利用该速度进行“隧道围岩弹性波分级法”和变更隧道围岩级别的问题。“隧道围岩弹性波分级法”顾名思义，是隧道围岩弹性波的一个分级方法，而不是隧道围岩地质分级的全部。勘察设计报告中围岩级别的结论是综合考虑：隧道通过地带岩体的工程地质、水文地质、隧道埋深与地应力，以及隧道围岩弹性波参数等多方面的资料做出的，仅仅利用预报获得的岩体参数变更围岩的级别存在着片面性。
举例说明如下：图（11）是TSP203仪器预报成果图中的一部分，图中上半部分三项参数的直方图，由上而下为岩体分段的纵、横波速度参数值；岩体的密度值；和岩体的弹性模量值。图的下半部分为反射界面的分布图。以图中的反射界面线与隧道里程线的交点为序，统计反射界面与隧道轴线的夹角，汇总成表1。
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
里程
2084
2092
2104
2108
2109
2116
2136
2152
2164
2184
2188
夹角
45°
75°
70°
65°
75°
80°
80°
70°
90°
70°
80°
以表1中最后两个界面的里程和夹角，根据隧道地震反射波传播理论，采用作图方法，绘制的地震反射波的射线路经，分别见图（12）。
上图的预报距离为100米：图中序号11的界面在2188里程，构造面与隧道夹角80°，其地震射线与隧道夹角10°～15°，反射段偏离隧道距离32～37米；图中序号10界面在2184里程，构造面与隧道夹角70°，其地震射线与隧道夹角20°～30°，反射段偏离隧道距离49～59米。如果以正常预报距离150米计算，反射段偏离隧道的距离达到70～80米。地震波射线与隧道轴线方向不同，射线路经与隧道轴线也不具备重合条件，而且偏离隧道50至80米多米以外，这样的速度资料作为隧道掌子面前方围岩的速度不具备代表性，以此变更隧道围岩的分级则更无道理。至于图中提供的其他岩体动参数，例如：动弹性模量、动剪切模量、动泊松比和岩体密度值等参数，皆由岩体纵波和横波速度计算而来，摆在报告中也就是一堆动参数。况且在没有具体岩体动静参数对比资料的基础上，如何使用也存在问题。
我认为隧道地震波超前预报，应该是以预报地质灾害和不良地质条件为主，以估算速度参数定性评价围岩地质条件为辅的方法。
关键词：桥梁工程 施工技术 基础施工 悬臂施工
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0066-04
1 工程概况
新建渝怀铁路14标段下塘口乌江特大桥，全长703.95 m，横跨乌江，中心里程为DK238+294，共有18个墩台，桥跨布置为3×24 m预应力混凝土简支梁+3×32 m预应力简支梁+（72+128+72）m双壁墩预应力混凝土连续刚构+6×32 m预应力混凝土简支梁+2×24 m预应力混凝土简支梁。7#墩、8#墩为主墩，双壁式钢筋混凝土圆端形实体墩，位于主航槽内，常年通航，钻孔桩基础，乌江水位在汛期暴涨暴落，水位变幅可达30～40 m，施工时受水位影响大，主墩基础施工的最好时间为当年的11、12月份和来年的1、2、3月份，在一个枯水期内完成基础是前期施工的重点。最高墩53 m；双璧墩连续刚构梁体，箱梁顶宽11.0 m，箱宽6.3 m，梁高4.8～8.8 m，单箱单室箱梁，主跨为128m，这在我国双线铁路桥梁中属跨度较大者，工艺相对复杂，技术标准高。9、10、11#墩为薄壁空心墩，墩高分别为48 m、43.5 m和28 m，其余墩均为实心墩，墩高为6～22 m。总造价约4400万元，连续刚构梁体总造价2900万元，平均82031元/m。2001年3月5日开工，计划2003年9月全部完工。主要工程项目工期：主墩基础2001年10月5日开工，2002年3月12日完工，主墩2002年3月13日开工，2002年9月6日完工，0#块2002年9月7日开工，2002年12月25日完工，悬灌段2002年12月26日开工，2003年7月18日中跨合龙。
2 基础施工技术
下塘口乌江特大桥4、5#墩、17#为台明挖基础，0#台、1、2、3、6、14、15、16#墩为挖孔桩基础，7、8#墩基础原设计为嵌固桩基础，桩为3 m×12 m矩形，每墩2桩，7#墩桩长16 m，8#墩桩长21 m，在7#墩桩基开挖施工过程中遇到基础裂隙层，层厚30 cm，钻孔查探发现，裂隙层范围很大并伴有地下强承压水，嵌固桩施工受阻，设计补勘后，进行了设计更正，将嵌固桩基础更正为钻孔桩基础。9、10、11、12、13#墩为钻孔桩基础。4、5#墩和17#台为明挖基础。明挖基础、挖孔桩基础、钻孔桩基础施工为常规施工工艺，这里主要介绍8#墩基础施工工艺。
2.1 基础施工方案确定
8#墩为钻孔桩，26根，桩径1.5 m，桩长20 m，紧邻乌江主航槽，枯水期基础范围内水深0.5～3.5 m，墩位处河床上覆卵砾石，并夹有较大漂石，层厚3.0～4.0 m，下伏泥岩、砂岩夹页岩，岩面较平缓。在乌江桥基础施工是钻孔还是挖孔的方案选择上，首先是地质条件允许，覆盖层较薄，泥岩、砂岩透水性差，具备挖孔桩施工条件。二是工期的比较：钻孔的施工顺序应是先钻孔，再下沉套箱，然后施工承台；挖孔的施工顺序应是先下沉套箱，在套箱内挖孔，最后施工承台。二者都需下沉套箱和承台施工，决定工期的因素是钻孔和挖孔的施工周期。受场地限制，钻孔施工时按5台钻机同时施工考虑，26根桩需要6个循环，每循环10天，共需60天；而挖孔作业，可以26根桩同时施工，40天即可全部完成，比钻孔可提前20天。于是决定采取挖孔作业方案。实际施工情况是，7#墩26根桩钻孔施工一共用了75天时间，8#墩挖孔施工共用了40天时间。8#墩施工流程图见图1所示。
2.2 施工过程
围堰筑岛施工，8#墩桩基承台尺寸及标高见图2所示，根据2001年枯水季常水位标高结合施工水位选定片石笼围堰标高为200.6，岛面标高为200.2。围堰采用铅丝片石笼围堰，根据套箱面积和施工需要，套箱外每侧预留7 m道路，筑岛面积40 m×31 m，套箱面积25×15 m。围堰顶宽2 m，内侧坡1∶0.5，外侧坡1∶1。围堰筑岛施工方法是：于墩位上游自岸滩斜向江中用片石笼施作导流堤至墩位上游堤址，以降低墩位处水的流速，并隔阻行船时产生的水浪冲击。自岸滩向河内沿围堰设计外边堆放片石笼，形成围堰。围堰完成后，将以后要施工的薄壁套箱的韧脚放出并将点引到片石笼围堰上，再用挖掘机将围堰内河床中较大漂石捞出，并连同薄壁套箱钢韧脚内外1.5 m范围内的原状卵石层挖出，然后在薄壁套箱钢韧脚内外换填粘土，形成隔水层，其余部位用砂夹卵石回填。粘土回填有利于套箱下沉，并能起到防水作用，减少河水向套箱内渗透，为以后套箱下沉和挖桩施工提供条件。
2.3 薄壁套箱制作及排水挖土下沉
8#墩基础泥岩标高为194.9 m，套箱下沉后嵌岩至承台底以下50 cm，套箱顶标高为200.9 m。套箱高6 m，并预留接高条件，防止水情出现变化需要加高套箱时使用。套箱用C20钢筋混凝土制作，套箱分节制作，首节高3 m，首节下沉至顶面与岛面平齐时，安排加高节施工，加高节高3 m，首节壁厚0.8 m，加高节壁厚0.7 m。套箱横桥方向净空为25.1 m，顺桥方向净空15 m，按短边每边比承台大一米，长边每边比承台大1.2 m设计，防止套箱在下沉过程中歪斜或偏离设计位置，造成套箱侵入承台限界。为了使套箱能在自重下顺利下沉，套箱重量必须大于井壁与土体间的摩阻力。设计中使套箱自重G大于1.25的井壁总摩阻力。薄壁套箱制作，首先平整岛面场地，上铺30 cm厚的粗砂。由于套箱自重较大，韧脚踏面尺寸较小，应力集中，所以在平整后的砂子上套箱韧脚踏面位置处对称的铺满一层方木，以加大支承面积，定位垫木作出标记。然后在韧脚位置处放上韧脚角钢，绑扎钢筋，支立模板，灌注混凝土制作第一节套箱。抽出垫木是套箱下沉的开始，也是下沉过程中的重要工序之一。套箱混凝土在达到设计强度的80%后才能抽撤垫木。垫木抽出前要先清理现场，对垫木编号，并规定联络信号。垫木抽出要按一定顺序进行，以免引起套箱开裂、移动或倾斜，先抽短边垫木，后抽长边垫木。垫木抽出一定要对称同时进行。套箱定位垫木最后抽出。在垫木抽出过程中，要抽出一根后立即用砂土回填并塞实。
自制10 m长挖掘机前臂，改装普通挖掘机，制成长臂挖掘机，在套箱下沉时使用长臂挖掘机代替人工挖掘套箱内的土，可大大提高生产效率。垫木抽出后，在套箱旁修筑平台，长臂挖掘机站在平台上，进行挖土作业，下沉套箱。开挖时注意套箱四周要同时等速开挖，韧脚处附以人工开挖，防止套箱倾斜。为便于套箱下沉，采取了以下措施：（1）将套箱外侧制作成台阶形。（2）采用泥浆套外壁。具体做法是：在套箱下沉过程中，在台阶形成的空隙中注入泥浆，形成泥浆套。第一节套箱下沉到位后，在其上制作第二节套箱。开挖时，遇到的大孤石，均采用人工爆破解小予以清除。套箱下沉约4米处时，一度出现排水困难，分析原因是岛体换填是局部换填不彻底或坑槽壁有坍塌，现场发现位于围堰上游侧约2 m范围内有管涌现象，解决的办法是暂停排水，等堰内水位与江水持平后，在管涌处围堰外侧3 m宽范围内挖沟槽至基底，重新换填拈土，效果很好。套箱下沉至岩层时发现基岩面比较平整且透水性差，于是决定停止下沉。用长臂挖掘机配合人工将套箱韧脚处清理干净。为防止套箱下沉过程中出现较大的变形，造成套箱失稳，套箱长边支3道支撑。套箱下沉到底后，经测量套箱水平偏移10 cm，套箱歪斜8 cm，水平扭角40″，符合规范要求。
2.4 灌注封底混凝土
套箱下沉完成并将韧脚清理干净后，考虑到基础情况较好，取消了将套箱底面全部用混凝土封底的设计，仅在套箱内侧1 m范围内灌注混凝土补强韧脚，由此节约混凝土约500 m3。封底完成后进行挖孔作业和承台施工。
3 墩身施工及上部构造连续刚构施工
下塘口乌江特大桥墩身类型较多，1、2、3、4、5、6#墩为双线圆端形实心墩，9、10、11#墩为空心墩，12、13、14#墩为双线圆端形实心墩；15、16#墩为单线圆端形墩。7、8#墩为主墩，是双薄壁柔性墩，中间设两道横联。墩顶顺桥向为2 m，墩身纵坡1∶0；横桥向墩顶伸入梁体部分坡度采用1∶0，其下坡度采用50∶1。7#墩高51 m，8#墩为最高墩是，高53 m。
3.1 高墩翻模施工
翻模施工原理：每套模板分上、中、下三节模板，每节高2 m。施工时将三节模板按次序依次支立，然后灌注混凝土，首次混凝土灌注三节模板高度，即6 m。待混凝土达到拆模强度后，拆除下节模板并倒运至上节模板上形成第二循环的下节模板，然后加固浇注混凝土，混凝土灌注一节模板高度，即2 m。然后中节模板向上倒运形成第二循环的中节模板，下节模板向上倒运形成第二循环的下节模板，依次顺序向上倒用，完成墩身施工。模板系统由（内）外可调模板、支撑及固定装置等构成。每节模板由固定模板和抽动模板组成。由于墩所处的位置的不同，我们的翻模分两种情况，一种是受水影响较小或基本不受影响的墩，我们采用钢管脚手架平台；另一种是在河中间，受水影响较大的墩（8#墩），我们采用吊挂脚手平台，吊挂脚手的翻模。翻模由钢模板、支撑、拉杆及支撑杆、工作平台和安全设施等构成。首先进行模板安装，按照设计位置、尺寸校核、调整模板，固定。钢筋在墩位绑扎成型，接长采用搭接焊。混凝土采用泵送至墩顶，溜槽、串筒入模，插入式振动棒捣固。在混凝土顶面预留支撑工作平台的支撑杆。其后进行模板翻提升，解体后的模板用缆索吊机提升，按照安装模板相反的顺序，分组拆解对拉螺栓和模板，缆索吊机提升解体后的底节模板至第三节平台，对模板进行清洁和维修，涂刷脱模剂。于吊挂脚手上对混凝土表面缺陷修整，堵塞拉杆孔眼。最后工作平台提升2 m。
3.2 横联施工
横联施工与墩柱施工同时进行。原计划底层横联用万能杆件支撑在墩承台上，上层横联支撑在底层横联上，但8#墩在实际施工中，底层横联施工时遭遇洪水，支撑横联的万能杆件遭到洪水漂浮物的强撞击后发生移位。洪水期间，支撑无法恢复，于是改为悬吊施工，为防止类似情况再度发生，横联支撑体系做出调整，调整为横联下方相应位置埋设预埋件安装牛腿，搭设梁式脚手平台支撑横联。
3.3 上部构造连续刚构0#段施工
该大桥主跨为72 m+128 m+72 m三向预应力钢筋混凝土连续刚构，中跨支点处梁高8.8 m，跨中及边跨支点处梁高为4.8 m，梁底曲线为圆曲线，其中部分梁段（跨中和边跨支点处）底面为直线段。连续刚构采用悬灌法施工，每个T构对称悬灌16个梁段，其长度分别为：0#段13 m，其余梁段为3～4 m。梁断面为单箱单室变截面箱形，箱梁底宽6.3 m，顶宽11 m。梁体设计为三向预应力，纵向采用12或16束钢绞线，HVM型锚具，横向顶板采用4-7φ5钢绞线，HVM型锚具，竖向腹板采用精轧螺纹钢筋。梁体混凝土为C50级。悬灌梁工艺控制复杂，关键要控制以下几个项目：一是0#段施工，因结构设计上0#段较高，8.8 m，因此，混凝土供应、捣固等成为关键问题；二是梁部悬灌过程中的应力监测和线型控制问题；三是合拢和体系转换问题等。连续梁施工主要包括挂蓝设计安装、0#段及1#梁段施工、悬灌段施工、边跨段施工、合拢段施工及体系转换。
0#段是连续梁悬臂施工的基本梁段，是整个刚构施工的基础。梁顶宽11 m，底宽6.3 m，顺桥向长13 m，高8.8 m，有两道横隔板，混凝土方量525 m3，设计要求一次灌注，施工难度很大。为解决汛期混凝土的垂直提升问题，该桥采用泵送方案，设置栈桥的目的是为支撑混凝土泵的管道以及在汛期施工时的人员上下问题，本桥修建栈桥两处，考虑到汛期漂流物的影响，栈桥底面高于一般汛期水位以上1.5 m，怀化侧从11#墩至8#墩，修筑长度136 m；重庆侧从第六跨跨中到7#墩，修筑长度40 m（如图3）。
本桥采取墩旁托架施工。采用在已成型墩身上埋设预埋件，然后在预埋件上焊接承力托架，在托架上整体一次性立模浇注0#段混凝土。外模采用大块整体钢模板，内模和端模用组合钢模板托架采用2[20对焊，附着墩身高度2 m。根据托架布置形式，每个墩柱上竖向布置两排预埋件，每排六组，合计48个预埋件。预埋件采用20 mm厚钢板组焊。上预埋件面板上留有4根精轧螺纹钢孔眼，下预埋件留有8根精轧螺纹钢孔眼。埋在混凝土中钢板挖孔的目的是为了更好的和混凝土连接成整体。在预埋件外钢板上焊接由[20组焊的托架。在托架上即可进行布设分布梁、组装模板、绑扎钢筋、浇注混凝土等工作。
3.4 悬灌段施工
悬灌段系指中跨的1’～16’#和边跨的1～17#段，悬灌段是整个刚构梁的主要节段，占整个梁混凝土方量的87.3%。因此，悬灌段施工的速度和质量对于刚构梁来说是举足轻重。在悬灌施工中使用菱形挂篮，这种挂篮具有移动方便、作业空间大、模板支立快速等优点，因而大大提高了施工进度，保证了施工质量。0#段施加预应力结束后，在梁段上安装挂篮，然后将底模板、外模板悬吊于挂篮上，形成悬臂施工作业平台，即可在此平台上进行悬臂节段的钢筋绑扎、混凝土灌注、预应力张拉及压浆等工作。主墩顶部13 m梁段施工结束后，将挂蓝走行轨道安装并锚固在梁体竖向预应力钢筋上。同时在加工场地组装菱形挂篮，主要是完成挂蓝的横向连接及加强等工作。1#段及以后的梁段均采用挂篮悬臂灌注。除前面所述每个梁段的混凝土必须在最早灌注部分终凝前一次完成外，更重要的是要确保T构对称灌注。
3.5 预应力施工
预应力筋的下料、编束和穿束，下料前按国家通用标准对材料进行复试，复试合格后才能下料。预应力筋切割用无齿锯为主。钢绞线束不相互缠绕，每隔1～1.5 m用铁丝捆扎一道，距端头2 m范围内每隔0.5 m捆扎一道。编好束后将端头焊在一起，中间1根要长出48 cm，然后将端头打磨成卵形，以便穿入波纹管。穿束前用较预应力束直径大0.5～1.0 cm的通孔器疏通波纹管，再用高压风吹净管内的杂物。穿束时先将导线穿过管道与预应力束连接，然后牵引导线并辅之以推送，将预应力束穿入管道，使两端外露部分满足张拉要求。
钢筋采取梁上绑扎，两次成型。做法是：先绑扎底板、腹板钢筋，安装预应力钢束，待内模支立完成后，再绑扎顶板钢筋，相邻段搭接钢筋用点焊焊牢。在腹板钢筋绑完后，焊接定位网，每50 cm设一道，三维座标控制位置。波纹管的连接一律采用外接，接头必须旋紧、顶死，再用胶布缠绕，露出端模板的波纹管不得少于15 mm，在施工过程中注意保护，不能损坏。在悬灌段预应力施工过程中，由于全面按施工工艺要求张拉，严格进行质量管理，预应力质量得到可靠保证。
4 悬臂施工线形控制及中跨合龙段施工
4.1 大跨度桥梁悬臂施工线形控制技术
本桥属大跨度悬臂灌注施工，施工中梁体线形的控制不仅关系到桥型的美观，更关系到桥梁受力，因此，线形控制历来是悬灌施工的关键控制项目。线形控制技术复杂、难度大，影响因素多，需要考虑到诸如挂蓝弹塑性变形、挂蓝及梁体自重、施加预应力、混凝土收缩与徐变、温度应力、地基沉降、体系转换等各个方面，能否准确预计并及时调整，关系到施工的成败。
（1）墩顶段采用大型型钢组焊成的支架在加载后将产生弹性变形和塑性变形，直接影响梁段的高程，对其采取的控制方法是对托架进行等效预加载来消除其塑性变形，测定其弹性变形，在安装模板时，预抬高底模，抬高值与弹性变形值相等。为了减少托架的变形，我们的托架设计制作时不但保证了托架的强度，而且采用大型型钢，增加了刚度，减少了变形。
（2）对挂篮进行等效预加载消除其非弹性变形，测定其弹性变形，为混凝土灌注前的立模标高提供依据。
（3）严格控制混凝土质量及张拉质量。在预应力张拉过程中，严格控制预应力筋的材料质量，定期校正张拉机具，张拉时采用张拉力及伸长值双控。必须在混凝土达到张拉强度时张拉。在混凝土施工过程中准确控制混凝土的配合比和塌落度等技术参数，进而使混凝土的龄期强度、弹性模量符合设计要求，以保证实测各梁段挠度与理论值相符，以达到线型控制的目的。
（4）精确测量，科学分析。利用微机和线形控制软件对影响梁段挠度的有关因素进行计算作为线形控制的理论依据。用高精度水准仪进行连续刚构的水准测量，通过微机对测量值进行分析，按其分析结果进一步调整梁段的预留挠度值，使连续刚构的线形真正实现“动态”控制。
（5）线形控制软件采用铁一院设计的线形控制专用软件，通过对预应力混凝土结构进行弹性分析和时效分析，计算预应力混凝土箱形连续梁在悬灌施工中内力和变形。
4.2 大跨度桥梁悬臂中段跨合龙段施工技术
下塘口乌江特大桥连续刚构采用轻型菱形挂篮分段悬臂灌注施工，合龙顺序为先合龙中跨，然后向两侧悬臂灌注17#梁段，再在6#墩顶及9#墩顶搭支架灌注19#节段，合龙两边跨梁段形成连续刚构体系。7#敦悬臂施工16’#节段结束后，挂蓝必须后退，否则，8#敦挂蓝不能移动到施工16’#节段位置。7#敦挂蓝后退后，将其侧模拆掉并加工成端段施工用模板。拆掉底蓝并将底蓝后平台拆掉安装到8#敦挂蓝底蓝前横梁下，为中跨合龙段锚固底蓝提供施工平台。8#敦悬臂施工16’#节段结束后，挂蓝前吊杆除最外2根不拆外，其余全部拆掉，然后挂篮前移，带动侧模、底模一起前移，到达设计位置后，将侧模和底模固定到混凝土梁段上。比较合龙段相邻的两个梁端顶面标高误差和中线误差，如果其高差≤15 mm，则着手下一步施工，如果>15 mm，则运行线形控制软件，计算使≤15 mm时的水箱配重所需的重量及布置位置，按运算结果，调整，使其达到要求。经最后测量表明，中跨合龙段标高相对误差4 mm，中线相对误差2 mm，完全符合设计要求。
中跨合龙在夏季合龙，气温较高。合龙前需进行临时锁定。临时锁定为体外锁定，分两部分：一是预顶，二是预拉。预顶即用千斤顶将两个“T”构顶开。预顶锁定有顶推梁和锁定梁，顶推梁的作用是在千斤顶的顶推下将两个“T”构顶开，顶开的作用有两个，一是在夏季高温时刻，混凝土梁热胀冷缩，梁有所伸长，通过顶推将温度升高伸长部分抵消掉，防止温度降低时，混凝土受拉；二是由于梁带有齿块，T构两侧存在这不平衡重，跨中较重，使得梁向跨中侧有所位移，顶推的另一个目的是消除这一部分位移。两个“T”构顶开后再用锁定梁将两个“T”构锁定，然后卸下顶推梁。顶推梁全部在梁混凝土截面内，锁定梁在截面外，梁锁定后，顶推梁全部拆掉，只剩下梁体外的锁定梁，此即所谓体外支撑。预拉即张拉临时锁定束，防止中跨合龙混凝土施工过程中或施工完后，梁底板受拉。临时锁定束为顶板束2-N41，每束张拉力为400 kN，底板张拉束4-N42，每束张拉力为500 kN。2003年7月18日晚23：30开始灌注中跨合龙段混凝土，拌制混凝土时，将混凝土强度提高一个等级，并掺入微量铝粉作膨胀剂，以免新老混凝土的连接处产生裂缝。2003年7月19日早2：00混凝土混灌注完成。混凝土灌注完毕，顶面覆盖海面垫，箱体内外以及合龙段前后1米范围内，由专人洒水养护。中跨合龙段混凝土强度达到设计强度的80%时，预应力束按先顶板后底板、先短束后长束、顶板与底板交错进行、先张拉50%控制应力（预应力束剩余伸长量小于千斤顶最大行程）、第二次张拉至设计控制吨位的顺序和方法进行张拉。
5 结论
大跨度特长桥施工中在梁部开始施工节段，准备工作要充分，详细制定0#段施工作业指导书，从模板的支立到钢筋的绑扎，到预应力管道的埋设以及混凝土各位置的振捣，要统筹考虑，提前考虑。详细的对下交底，及时对施工操作人员进行培训。各种不利情况都要考虑周到，按最不利情况做施工准备工作，要准备双泵管以准备堵管，要准备备用方案以防止在混凝土输送泵施工中损坏等。在大跨径桥梁施工过程中，成立箱梁施工挠度观测组和施工标高控制组是十分必要的，可以系统的收集和整理挠度观测数据，研究规律，及时调整梁段施工标高，从而得到合乎设计要求的箱梁标高，提高箱梁的合龙精度。在各阶段观测的箱梁挠度中，温度的影响显著且不可避免，要观测不同悬臂长度时温度对挠度影响的大小和规律，并在温度影响较小的时间段内进行挠度测量。大跨度预应力连续刚构桥悬臂箱梁施工中，挠度变形有一定的规律性，应以施工阶段作为观测周期，对其进行详细不间断的周期观测，然后进行认真的分析各阶段挠度变形的规律及与设计值的差异情况，并据此进行施工标高的调整，只有这样才能保证成桥的线形。
参考文献
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