综合超前地质预报技术在隧道探测中的应用

王霆 孙久顺

摘要：针对复杂地质条件下超前地质预报工作中精确度低、准确性差的问题，采用综合超前地质预报方法对隧道进行预报，分析了工作原理及实施流程，并在寨山隧道开展了现场探测，考察了探测结果，探测分析结果与隧道开挖揭露结果一致，说明该技术正确推断了掌子面前方的围岩情况和不良地质体的基本情况，达到了基本的预报效果，为类似地区的隧道施工的开展提供了重要借鉴。

关键词：隧道施工;地质预报;综合预报

引言

针对在我国岩溶地区修建隧道时遇到的某些地质灾害，利用综合超前地质预报技术对地质情况进行探测，分析综合地质预报技术的组成、特点及工作方法;结合具体工程地质特征，提出基于地质识别、地质雷达法等相结合的综合探测技术，分析该技术手段对具体工程的实用性、先进性及其发挥的重要作用。

1综合超前地质预报方法

综合超前地质预报方法是在多种预报方法的基础上，以系统科学理论为基础，结合现代信息化的管理手段，将多种信息进行整合的技术。通过对不同方法获得的信息进行综合分析，在很大程度上消除了信息的不一致性，推导出对隧道前方施工不利的地质条件。

进行超前地质预报首先应进行定性分析，即对隧道宏观地质信息进行分析，然后再通过综合手段对数据等进行定量分析。定性分析主要采用地质地面调查法，指通过对开挖隧道洞内和洞外地表地质现象进行观察与测量，具体手段包括对开挖工作面和洞身的地质素描、地表补充地质调查以及对各种地质现象进行绘图等。定量分析是在初步确定不良地质体的类型和大致范围后，通过监控量测获得的各种数据，借助仪器与软件分析变形情况，并对数据进行处理，对预测变形趋势进行分析。综合地质预报方法应遵循系统科学的理论及整体性原则，把隧道及其周围地质作为一个系统，系统中各要素之间的相互关系、相互作用，构成统一的整体，不仅要对隧道洞体进行超前地质预报，还应结合本地区已建工程的信息，了解可能发生的地质灾害及发生灾害的主要类型、强度等;也应遵循动态性原则，其中1个要素发生改变，其他要素必然发生变化;如断层未得到及时处理，由于地下水或溶洞的存在，可能发生涌水现象，导致更加严重的灾害。

综合超前地质预报实施程序如下。

（1）地质分析法，首先对地质资料进行分析，以相关工程地质和水文地质资料为基础，结合洞内外地质调查等方法判断致灾构造的大致位置、类型。同时，地质资料的分析也为物探和钻探提供信息基础，指导施工人员选取合适的物探方法及钻探方案。

（2）物探识别，即地球物理勘探方法，这一阶段主要采用多种物探手段，探测掌子面前方10 ～100 m 的不良地质体。对得到的结果进行解译，确定不良地质体的类型、规模、方位以及段岩石的力学特性等数据。

（3）钻探揭露，通过钻探过程中钻孔的速率快慢、难易程度、是否有异常现象以及取得的岩样判断隧道掌子面前方地层的实际情况，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，最直接、有效地预报超前地质。地质雷达法是目前最主要的物理勘测方法，其实质是利用不同介质界面的电磁特性差异而反射产生的电磁波探查各种介质从而进行地质预报，并通过数据反演，找出不良的地质体。一般用来探测掌子面前方10～30 m隧道周围的地质状况。其优点是耗时短、现场操作简便，分辨率高，能反映围岩内部特征，尤其对含水带、破碎带有较好的识别效果。其主要工作方法是首先通过自身携带的宽带天线向前方发射高频的电磁波，遇到不同介质时会产生反射，信号返回后由主机接收，然后根据电磁波的物理特性如时间、振幅、波形等，确定不良地质体的规模、性质等参数。

2 TSP 地质预报原理及设备系统组成

2.1 基本原理和方法

TSP方法属于高分辨率地震反射的多波多分量方法，地震波发生在带有少量炸药的投影焦点（通常在隧道的左壁或右壁，大约 24 发）。 当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、断裂带、岩性变化等）时，部分地震信号被反射回来，部分信号传输到前缘介质。 反射的地震信号将被高度灵敏的地震检波器接收。 可通过TSP-win软件对数据进行处理，了解隧道前方不利地质体的性质（弱带、断裂带、断层、含水层等）、位置和范围。

TSP-WIN软件是将收集到的TSP数据进行处理的。主要处理的软件流程有以下具体11个步骤，首先是数据设置、带通滤波、初值选择、选择处理、枪能量均衡、Q估计、反射波提取、PS波分离、以及速度分析、深度偏差滚动还有突出反光层以上这些就是TSP-WIN软件处理的主要流程。并且通过速度进行分析，可以将反射信号的传播时间进行深度与距离的转化。同时处理的结果还可以将隧道轴线的交角与隧道工作面的距离确定反射层所对应的地质空间，并将反射波特征对地质体的性质进行结合。P波以及SH 波还有SV波剖面进行深度便宜剖面还有提取反射层以及岩石物理力学参数、各反射层能量大小等，以及二维范围内的反射层或 3D 检测范围空间分布。

2.2设备系统组成

采用TSP 203高级地质预报系统。 主要系统组成： 1）录音单元：12通道，24位A/D转换，采样间隔62.5和125 μs，最大录音长度1，808.5 ms，动态范围120 dB。 2）在120db的动态范围。2）地震检波器，接收器：灵敏度1000 mV/g±5%，频率范围0.5～5000Hz，谐振频率9000Hz，横向灵敏度>1%，工作温度0℃～65℃ . 3）TSP-win软件：数据采集和处理一体化。

结语

综上所述，在我国经济蓬勃发展的大背景下，在地形地貌复杂的西部地区修筑公路、铁路改善交通条件以促进经济发展是不可避免的趋势。在我国西部在建、拟建的隧道数量众多，且这些隧道往往埋深大、长度大。在这些地区修建隧道存在着许多风险和困难，岩爆、塌方、断层等地质灾害时有发生，这些灾害严重地威胁着施工安全和人员安全。单一的超前预报方法有其局限性，同样的方法对相同的区域开展地质预报的结果也不尽相同。例如，地质分析法结果较为粗略，只可大体上推断水文与地质情况;地质雷达法有预报距离较短、对施工有一定的影响等缺点;而超前钻探法则很难预测钻孔与钻孔间的地质情况。

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