隧道超前地质预报技术的状况

2012-09-03卢卫东

科技传播 2012年11期

卢卫东

广西交通科学研究院，广西南宁 530007

0 引言

隧道施工时，前方经常会遇到充水、充泥、断层破碎带，岩溶等不良地质状况。一旦作业不当，就很可能发生塌方，冒顶和突泥等地质灾害。隧道施工对前方地质状况的认识，除了前期获得的地质勘探资料，目前一个重要的途径就是施工超前地质预报。前期的地质勘探资料往往只是对隧道区域地质情况的一个大概勘测，由于受到地形和环境，以及精度的限制，准确性都大打折扣，对细部地区的勘测往往不足，有时经常和现场的实际地层情况相差很远。因此，实施隧道超前地质预报很有必要，可为隧道施工节约经费，减少施工中的人员伤亡，可以在地层进行围岩分级和隧道施工进行动态设计时提供依据。

国内外常用的隧道超前地质预报方法，从宏观方面主要归类有：地质分析法、超前钻探法、物探法和综合预报方法。从探测的掌子面前方距离来划分，有短距离探测（30m内），中长距离探测（30m～100m），长距离探测（100m以上）。由于当代科技的进步以及各类物探设备的不断面市，目前物探仪器和物探方法在地质预报中应用比较普遍和主流。下面简要介绍一下国内比较常见的一些方法：

1）地质分析法

地质分析法主要指工程人员依靠简单辅助工具和一些地质勘测资料，对隧道内地质情况进行观测分析，推断出前方地层情况的一种方法。这种方法预报的距离短，大概在5至15米，且对工程人员的现场经验和地质知识要求较高。

2）超前钻探法

钻探法是采用专门的钻探机具，对前方地层进行钻掘测探或者取出岩芯分析，以获取前方地层地质情况的一种方法。这种方法较直观和易于理解，但缺点是钻孔获取前方的地层信息的范围较小，通俗的说就是只能进行“点测”，如果遇到溶洞和土腔体，有漏报的可能性。而且占用施工面和作业时间较大，花费也不小。

3）弹性波反射法

属于物探方法范畴，是利用声波或者人工激发的地震波在地层中传播时，当遇到复杂地质体时反射回来部分反射波，分析这些反射波的特性，预测出前方地层情况的一种方法。这类物探方法包括有地震波反射法、负视速度法和陆地声纳法等等。地震波反射法比较常用和成熟，目前工程实践中常用的TSP203和TGP206设备就是根据地震波发射法的原理。

4）电磁波反射法

属于物探法中的一个类别，主要使用的是地质雷达（或称探地雷达）进行探测。雷达发出电磁波进入前方岩体传播，当遇到变化差异的地质岩体时部分电磁波反射回来，雷达接收信号并进行分析成图。地质雷达在工程检测中应用广泛。

5）电法勘探

有传统的直流电法、电阻率测深法、激发极化法、瞬变电磁法等。传统的电法勘探主要研究的是岩体空间电流电场变化和空间分布规律，来推断地下水的情况和岩体破碎发育情况。

6）综合方法

进行地质预报时，每种常用的方法和仪器设备都有自身使用的局限性和针对性。隧道内的地质环境也是复杂多变的，只有根据隧道具体地质环境，将选择使用的方法和仪器结合起来运用，才能起到良好的效果和工程效益。

1 TSP和地质雷达

工程常见的是，一般先采用长短距离结合的物探方法加上现场工程人员的地质编录进行地质预报，长距离预报常用的是地震波反射法原理为基础的TSP203仪器和TGP206仪器，有效预报距离通常能达到100m～300m远，能“照亮”前方范围较大的岩体。短距离使用的是地质雷达，一般每次探测距离30m左右，当遇到富水高危特殊地层，可以考虑使用对探测地下水比较敏感的瞬变电磁法和红外探测方法。

1.1 TSP（Tunnel Seismic Prediction）系统

TSP系统是由瑞士安伯格公司推出的一种隧道超前地质预报系统，是目前应用较为广泛的系统。该系统目前国内常用的是TSP203系列普及型仪器，该系列型号仪器拥有较高的软件自动解释功能。国内常用的另一种预报系统是北京市水电物探研究所发展的TGP预报系统，原理和TSP系统大致相同，主要使用的仪器设备是TGP206。

图1 工作原理（引自瑞士安伯格TSP说明书）

TSP工作原理示意如图1所示。在隧道洞内的某侧边墙上等间距钻设24个激发孔，在远离隧道掌子面的方向上，且距离激发孔规定距离的边墙上再钻设两个接收孔，在激发孔内放入适量的乳化炸药进行爆破产生出地震波，地震波向前传播时，当遇到差异的地质体时，就会反射部分回来，被埋置在接收孔里的检波器接收到信号并传给仪器主机保存下来。现场采集的数据，通过TSP配备的软件处理分析，就可以得到前方地层的地质信息。

隧道前方的不良地质现象大致主要有断层，富水区域，溶洞，破碎岩体，软弱岩层等。客观来说，任何一种方法不可能很准确且面面俱到地预测出上述所有的不良地质情况。但TSP系统对这几种地质情况综合来说，综合预报性能是比较高的，也不太影响隧道的正常施工作业。因此，TSP（或者TGP）系统在实践中应用较为广泛，也积累大量工程经验。

1.2 地质雷达

图2 雷达剖面图

地质雷达作业灵活，作业占用时间短，应用也不断成熟。采用地质雷达进行超前地质预报是较常用的方法。国内较常见的雷达是美国GSSI公司的SIR系列，瑞典MALA公司的RAMAC系列，中国电波传播研究所的LTD系列雷达。探测时，地质雷达向地层发送高频电磁波，电磁波在传播中遇到介质的电性差异时，就会发生部分反射，根据接收到的雷达反射波走时、强弱、波形等特性，就能推测出空间目标体的情况。

隧道进行超前地质预报，一般雷达所选的天线主频率是100MHz，测线布置依据工程情况而定，以下是雷达分析成果图中的一幅较常见图表。

图2是隧道地质预报成果图中较典型的一幅雷达反射波剖面图，来源于某高速公路隧道的检测数据实例，是经过各种处理后得到的线测反射波剖面灰阶图。围岩区域是石灰岩地区，地下水不发育。上方横向宽度是隧道掌子面的测线宽度，纵向方向上，从坐标零点开始，往下是掌子面探测前方的距离，单位为米。雷达反射波波形剖面能反映出前方岩体的很多特性，就一般情况而言：

1）相同岩性反射波同相轴比较连续，差异岩性的反射波同相轴比较错乱；

2）反射波振幅的强弱能反映出岩体的破碎强弱和某些地下水信息；

3）反射波频率的大小，能看出岩性质地（即软硬）特性。

图2中，隧道掌子面前方0m～3m段围岩，通常属于爆破震动引起的松动区，反射波波形杂乱；3m～13m区域，岩体较均一完整；13m～25m区域，反射波同相轴错乱，反射波振幅加强。结合前期地质资料和现场地质编录分析，该段围岩破碎，局部夹泥。