隧道超前地质预报的技术研究

陈小冬

在地质条件复杂的地区，由于前期的勘探不能完全探明隧道内的地质情况，在开挖的过程中经常遇到不良地质体，给施工带来隐患。所以，在开挖前对隧道掌子面前方的地质情况进行预判，即进行超前地质预报已经成为隧道工程的一项重要工作。隧道超前预报指的是，在隧道施工过程中，通过地质和物探方法，推测掌子面前方的地质情况，为隧道施工方案提供依据。

一、超前地质预报方法分类

超前地质预报方法可分为常规地质法和物探法两大类，具体有超前导坑、正洞地质素描、水平超前探孔、声波测试、红外探水、弹性波法和电磁波法。其中超前导坑、正洞地质素描和水平超前探孔属于常规地质法，剩余部分属于物探法。

1.超前导坑

超前导坑法分为超前平行导坑和超前正洞导坑。平行导坑的布置平行于正洞，断面小且和正洞之间有一定的距离，在施工过程中对导坑中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质素描图，通过做地质素描图对正洞的地质条件进行预报。优点是：平行导坑超前的距离越长，预报也越早，施工中就有充分的准备时间，可以增加工作面，加快施工进度，还可以起到排水减压放水，改善通风条件和探明地质构造条件的作用。此方法直观，精度高，预报的距离长，便于施工人员安排施工计划和调整施工方案。超前正洞导坑布置在正洞中，其作用与平行导坑相比，效果更好。但缺陷是成本太高，有时需要对全洞进行平导开挖，且在构造复杂地区准确度不高。

2.正洞地质素描

地质素描是对开挖面的地质情况如实而准确的反映。主要内容包括地层岩性、构造发育情况、地下水的出水状态、围岩的稳定性及初期支护采用的方法等。正洞地质素描是利用所见到正洞已开挖段的地质情况预报前方可能出现的不良地质条件。此法的优点是不占用施工时间，设备简单，不干扰施工，出结果快，预报的效果好，为整个隧道提供了完整的地质资料；缺点是对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。

3.水平超前探孔

水平超前探孔方法是在隧道内安放水平钻机进行水平钻进，根据隧道中线水平方向上钻孔资料来推断隧道前方的地质情况。钻孔的数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制。一般可根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况来判断。这种方法可以反映岩体的大概情况，比较直观，施工人员可根据现场的地质情况来安排下一步的施工组织。但该方法也存在不足之处：在复杂地质条件下预报效果较差，很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理。

4.声波测试

声波对裂隙反应很敏感，遇到裂隙即发生介面效应，耗损波能，波形变复杂，波速减缓，此外，声波速度的大小还和岩体强度有关。声波测试方法有多种，主要有岩面测试和孔内测试两种：（1）岩面测试是在已开挖地段进行的，由于隧道开挖放炮形成许多张裂隙，所测波速表面岩石比实际岩体的波速略偏低。（2）孔内测试分单孔和双孔两种。单孔测试是把发射源和接收器放在同一孔内，但只能测到钻孔周围一倍波长左右范围内的地质情况。双孔测试是把发射源和接收器放在不同的钻孔内，测试两孔之间的岩体波速。

5.红外探测

所有物体都发射出不可见的红外线能量，能量的大小与物体的发射率成正比。而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。当隧道掌子面前方及周边介质单一时，所测得的红外场为正常场，当前面存在隐伏含水构造或有水时，他们所产生的场强要叠加到正常场上，从而使正常场产生畸变。据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水，其他情况判定无水。红外探测的特点是可以实现对隧道全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧道外围空间及掘进前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，可利用施工间歇期测试，不占用施工时间。但这种方法只能确定有无水，没有定量的解释。

6.弹性波法

弹性波超前预报技术按观测系统可分为地震反射法、水平声波剖面法及TSP超前预报法。当弹性波向地下传播时，遇到波阻抗不同的地层界面时，将遵循反射定律发生反射现象。介质的波阻抗差异愈大，反射回来的信号就愈强。

7.电磁波法

电磁波法是利用电磁波在不同介质中产生透射、反射的特性来进行地质预报工作的，目前常用的方法有地质雷达。利用地质雷达进行超前预报时，当前方岩石完整的情况下，可以预报25m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离也能达到15m左右。雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差异大，则探测效果就好。在洞内测试时，由于受干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判，因此要加强数据采集与处理工作，尽量排除干扰，提高探测精度。

二、超前地质预报的主要难点

1.地质勘探的局限性

隧道由于埋深较大的特点，使得勘察工作较难进行。同时受制于本身断面尺寸的影响，水平钻孔或超前导坑等方法探测局限性很大。占用较长的工期和较高的费用。

2.地质物性区别较大

详细的地质超前预报涵盖地质构造、工程地质和水文等较多内容。其中，岩体的构造特性、工程特性和完整程度等均表现在力学性质上，而水文特性则主要通过电性差异体现。任何一种单一类型的物探方法都难于很好涵盖力学和电学这两种物性的变化。

3.地震波震相复杂

隧道内的地震反射波是三维的,要分析反射波的不同方向、波速、反射面位置、反射面性质。同时，要识别面波、纵波、转换波，远比表面观测的震相复杂。

4.预报要求的内容多、质量高

隧道超前预报关心的主要地质问题有三个：第一个是构造软弱带问题，包括断裂、溶洞、破碎带等不良地质对象的性质、规模、位置及产状等；第二个是危险的含水、含气构造问题，包括含水断裂、含水溶洞、含水松散体等的位置、规模、富水性、水压大小等；瓦斯气的生、储、盖地质条件；第三个是围岩的工程类别的问题。这三个问题中的每一个对工程物探来说都是疑难问题。

三、TSP技术探测原理

TSP(Tunnel Seismic Prediction)方法是一种类似于零偏移距地震多波反射波法，所谓反射波法就是震源激发的地震波传播到有波阻抗差异的界面上发生反射，通过接收到该反射波后对其进行资料处理，得到界面的构造和岩性解释。我们要利用的有效信息是反射的纵波（P波）和横波（SH、SV波）。

地震波是由特定位置进行小型爆破所产生，测线布置一般是一系列爆破点沿着隧道左壁或右壁平行隧道底板成直线排列，炮孔深1.5m，间距1.5m。这些震源发出的地震波在掌子面前方传播过程中，遇到地层层面、节理面、断层破碎带界面等不良地质界面时，将产生反射波。反射信号由传感器接收，并将接收的数据传送给记录单元，由于反射信号的传送时间与到地质界面的距离成正比，反射信号的强度与相关界面的性质、界面的产状密切相关。通过对反射波数据记录分析，可得出相关隧道构造剖面及围岩的物理力学参数。

P波和S波在岩石中的传播速度主要取决于岩石弹性性质，确定地震波速度不仅可以预报前方不良地质构造，还可以计算岩石力学性质，预报围岩等级。弹性波的传播速度只取决于岩石的弹性模量。岩石的弹性模量的影响因素包括组成该岩石的矿物成份、岩石中孔隙流体性质及压力、温度等，孔隙度、空隙流体是通过影响岩体的弹性模量而影响速度的，因此可以通过测试岩石的速度参数来判定岩性。