隧道综合超前预报效果及其影响因素分析

牟元存,曹 强,高树全,刘 博

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031;2.中国地球物理学会 中铁二院院士专家工作站，四川 成都 610031)

1 引 言

隧道施工过程中的超前地质预报技术由来已久，国外如英、法、日、德等国均将此列为隧道工程建设的重点研究内容。在我国，隧道超前地质预报的研究始于20世纪50年代末，但真正应用于隧道工程(或其他地下工程)建设是在20世纪70年代。

20世纪50年代，川黔铁路凉风垭隧道施工设计配合组地质工程师陈成宗先生根据隧道施工掌子面地质情况，开展了对隧道开挖工作面前方地质情况的预测预报。20世纪70年代，我国工程地质界老前辈谷德振教授等根据矿巷施工进度和开挖工作面性状做出的矿巷前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序，真正开始了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用。20世纪80年代，我国提出用物探方法对隧道进行超前地质预报，针对大瑶山隧道可能出现岩溶水问题开展工作。在20世纪80年代初大瑶山隧道施工中，为能顺利通过9号断层,原铁道部组织了设计、施工、科研力量,开展施工阶段地质预报。课题分前期准备、施工地质勘测、信息反馈、施工验证四个主要步骤，根据地质背景，确立地质构造型式，建立具体的断层构造标志，以地质观测和类比为主要手段。在关键地段，有针对性地选用声波、地震、钻探、量测等各种方法进行施工地质预报。该项工作发挥了一定的应用价值，取得了一定成效。20世纪80年代，以中国科学院地质所为主,在军都山隧道断层破碎带地段有重点地开展超前地质预报,也是以地质观测为基础，适当应用岩石钻进速度测定仪等其他手段的数据辅助判断和解释，对施工起到了指导作用。以上两项研究,为进一步开展研究工作奠定了基础。20世纪80年代中后期，我国才开始真正使用“隧道超前地质预报”这个专业术语。20世纪80年代末期，为了提高超前地质预报效果，多位学者进行了隧道施工超前地质预报的研究和试验工作。大瑶山隧道中采用的单孔和跨孔声波探测，是国内首次采用物探方法进行隧道超前地质预报。铁道部第四勘测设计院的吴治生在南岭隧道中，利用地表地质资料辅助洞内超前钻探，并首次采用炮眼超前探测岩溶。这些研究与试验取得了一些成功的经验，但是由于隧道内可供观测的空间位置有限、观测方案受到限制，地质资料精细度不足，钻孔或导洞资料较少等原因，要准确预报难度依然很大。

1990年8月,经铁道部科技司批准，多个单位联合承担《隧道开挖工作面前方不良地质预报》课题，铁一院承担地震反射法(负视速度法)研究、铁科院铁建所承担地震高频反射法(小偏移距单点剖面法)研究、铁科院西南分院承担水平声波剖面法研究、中铁物探中心承担地质雷达法研究、北方交大承担CT 技术应用研究。通过该项工作，研究出了一套适合施工开挖面前方综合预报技术及相应设备。

在前期各科研院所大量研究及实践摸索的基础上，铁总自2002年起相继制定了一系列有关铁路隧道风险管理的规范[1，2]、规程[3]、技术标准[4]和规定，逐渐形成了我国铁路隧道安全风险管理体系，提出了风险可防可控的管理理念，为铁路建设安全管理指明了方向，强化了风险防控措施的落实。

2 设计阶段的预报工作

根据国家铁路局《铁路建设项目预可行性研究、可行性研究和设计文件编制办法》(TB10504-2018),在初步设计和施工图阶段，均需编制隧道超前地质预报设计文件。

设计阶段超前地质预报方案的编制紧密依靠既有的勘察资料开展，编制依据主要有既有的勘察资料、隧道平纵断面图和各现行有效的规程规范。主要的考虑因素有地勘报告中的主要不良地质情况、地层岩性、构造、地表水系分布、排泄基准面、地表负地形、地表溶蚀漏斗等发育段落、第三方构筑物(地表、地下)、有无有毒有害气体、高地应力、高地温、可溶岩与非可溶岩交界带、浅埋段落、地表物探成果、特殊岩土等内容，而后根据地质复杂程度分级，就隧道施工可能遇见的不良地质灾害类型及目前预报手段中各方法的优缺点进行合理搭配，并根据隧道施工方法明确可具操作性的综合预报措施。

设计阶段隧道超前地质预报的目的是进行隧道施工地质复杂程度分级，明确隧道的重点段落，分析研判可能出现的不良地质灾害类型，根据隧道施工方法及不良地质类型选择对应的预报措施，最终编制设计说明和图纸等相关文件，罗列工程数量并纳入预算。

3 实施阶段的预报工作

实施阶段，目前高、极高风险隧道超前地质预报工作由设计单位负责组织实施，其超前地质预报实施细则由设计单位负责编制完成，其他风险隧道的超前地质预报工作责任主体为施工单位，由施工单位负责编制完成隧道超前地质预报实施细则。细则编制完成应根据建设单位管理办法进行审批，最终的预报实施按审批后的实施细则开展现场工作，预报单位按规定的方法、频次及搭接长度进行控制。各单项预报工作结束，应结合地质情况及各单项预报成果进行综合分析，并编制完成综合分析成果报告，依据综合预报成果开展变更设计。相关资料需按要求上传信息化平台，并最终编制竣工总报告。

隧道施工过程中，当发现开挖情况与原设计地质情况出入较大时，应及时动态调整预报措施。

4 预报工作中的成功案例

从多年来的从业经历及研究成果[5-8]，超前地质预报工作已经积累了丰富的经验[9-12]，取得了很多成功的案例[13-17]，这方面相关的文献[18-21]也很多，限于篇幅在此不再一一详细罗列，下面仅就一些典型的预报案例进行展示。

4.1 物探法案例

4.1.1 TSP案例

选取云桂铁路(广西段)非可溶岩和可溶岩两个不同的隧道为例，TSP预报成果分别如下：

首先以某非可溶岩隧道为例。本次预报范围内地层岩性为砂泥岩，隧道埋深约200 m，区内褶皱发育。预报时观测系统布置具体为：在隧道DK274+420的左边墙和右边墙位置分别布置一个地震波信息接收孔，孔径为50 mm。在DK274+434～DK274+461段的左边墙位置，按约1.4 m 的间距布置20个激发孔分别激发地震波，激发孔孔深1.5 m左右，孔径约45 mm，孔向下倾斜约15°，每个激发孔装填的药量为66 g。激发孔和接收孔基本保持在同一个高度上。预报该隧道DK274+463～+580段的TSP预报成果如图1所示。

图1 某非可溶岩隧道TSP预报案例Fig.1 A case of TSP in insoluble rock tunnel

TSP预报结果显示DK274+480～+520段反射界面密集，尤其DK274+500～+510段以负反射为主。预报反射界面密集段落其速度、泊松比和杨氏模量等指标呈锯齿状波动，表明该段围岩软弱破碎。通过TSP预报，提醒该段发生坍塌的风险极高，施工需注意加强支护措施防止坍塌。施工期间，该段曾发生较大规模的坍塌，但因提前预警，施工单位采取应急措施得当，未有人员伤亡的情况发生。

又以某可溶岩隧道为例，本次预报范围内地层岩性为灰岩，预报范围内隧道埋深约100 m。预报时观测系统布置具体为：在隧道DK125+416的左边墙和右边墙位置分别布置一个地震波信息接收孔，孔径为50 mm。在DK125+430～DK125+464段的右边墙位置，按约1.8 m的间距布置20个激发孔分别激发地震波，激发孔孔深1.5 m左右，孔径约45 mm，孔向下倾斜约15°，每个激发孔装填的药量为66 g。激发孔和接收孔基本保持在同一个高度上。该隧道DK125+470～+580段的预报案例见图2所示。

图2 某可溶岩隧道TSP预报案例Fig.2 A case of TSP in soluble rock tunnel

预报结果显示，其中的DK125+486～+491 段反射界面密集，强度指标降低，泊松比指标上升，速度图上呈低速，为典型的溶洞异常反映。后续施工在DK125+484处开挖揭示一较大规模的溶洞，现场开挖揭示的溶洞如图3所示。

图3 DK125+484溶洞现场Fig.3 DK125+484 karst cave site

通过以上两个案例可见，TSP法可以对岩溶、节理裂隙密集带等进行宏观预报。在对岩溶的预报中，该方法能够完全准确地进行预报或者该方法完全不能预报岩溶的说法均过于极端，这两种说法都是不成立的。但当单纯采用TSP法进行预报确实有漏报的风险，具体原因详见后面阐述。

4.1.2 地质雷达法案例

地质雷达法预报精度高，但预报距离短，该方法尤其在可溶岩地区对岩溶的预报效果很好。

选取几个典型的预报案例如图4所示，图4(a)～图4(d) 为典型的岩溶探测图像特征；图4(e)中最下方的标准反射弧经速度拟合计算为空气中的电磁波波速30 cm/ns，故为来自空气中掌子面后方台车干扰信号的反映而不是真实的地质异常体；图4(f)为两个掌子面贯通之前的预报成果，资料上可见对面掌子面的电磁波反射信号。

图4 地质雷达法预报典型案例Fig.4 Several typical cases of ground penetrating radar

4.1.3 瞬变电磁法案例

瞬变电磁法预报具有对低阻体反映敏感的特性，利用其特性可用于地下水的预报。本次采用YCS-2000A型瞬变电磁仪，该隧道预报时掌子面里程为PDK301+561.8,线框采用中心回线装置布置在距掌子面3 m处(PDK301+558.8)，分别开展了4个剖面的扫描，分别为掌子面斜向下30°、水平方向、斜向上30°和掌子面中央垂直方向。预报成果如图5所示，在成果图中可见PDK301+573.8～+613.8段(测线位置前方15～55 m)存在相对低阻异常，预报该段围岩含水。经打钻验证，PDK301+576～+619段地下水丰富，具承压性，个别钻孔内地下水呈高压喷出。

图5 瞬变电磁法预报典型案例Fig.5 A typical cases of TEM

采用瞬变电磁法进行预报，有水的段落为低阻反映，但是资料为低阻反映的未必由地下水引起，如存在其他金属矿物等，也会是低阻的反映，且目前该方法容易受现场各种干扰，有时导致假异常较多，影响最终结果的判释。

4.2 钻探法案例

钻探法的如实施做和有效落实，是对地质异常体最直观有效的预报方式之一(图6)。加深炮孔法孔数众多，现场施做方便，尤其对岩溶等异常预报效果好。水平钻可对前方较大规模的异常，尤其面状异常体进行有效探测，但对岩溶等三维空间异常体则有漏报的风险。故钻探法中，根据地质复杂程度及地质灾害类型，有些段落根据规程规范需同时搭配超前水平钻和加深炮孔两种钻探方法。钻孔遇地下水的影像资料如图6所示。

图6 加深炮孔和水平钻钻孔出水Fig.6 Water inrush in drilling hole

5 失败案例中的影响因素分析

前面谈及许多预报成功的案例，但实际生产中，漏报的情况依旧偶有发生，很难做到预报效果百分百的保证。影响预报效果的主要因素具体有以下一些原因。地勘精度、预报原始数据质量、人员的技术水平、方法本身的局限性、物探结论的多解性、掌子面里程的准确性、特殊岩土、其他不可抗因素等。

5.1 地勘精度

地勘精度方面，影响预报效果的主要因素为地层岩性方面的偏差。因地下情况确实复杂多变，有时候地层岩性的勘察出现偏差会影响后期预报的工作质量。因地层岩性的原因，在设计阶段是基于已经掌握既有的勘测资料的基础上展开，预报工作具体实施过程中，物探法捕捉的也只是一个异常信号的反映，对该异常信号的资料解译是基于正确认识地层岩性的基础上进行的判断和解释。例如，同一个异常，当放在非可溶岩中考虑，则不可能解译为岩溶等异常，但在可溶岩地区，则需重点考虑是否存在岩溶类异常。故施工过程中，如果前方地层岩性发生了突然变化，有侵入岩存在或勘察中发现的可溶岩段落在里程位置上突然提前出现，则单纯地依靠物探资料，解译方面必然会产生较大的偏差。此时超前预报的应对措施方面，更应注重物探与钻探相结合，在临近可溶岩段落前，宜尽早开展水平钻工作对前方地层岩性变化情况进行核实，注重超前地质预报成果的综合分析与研判。

5.2 预报原始数据质量

物探法方面，采集到好的原始数据对后期的准确预报至关重要。数据采集质量应符合规程规范的要求。原始数据质量不合格的，严禁进入数据处理环节，必须查找原因进行复测。

5.3 人员的技术水平

超前预报工作中，无论地质调查法、物探法还是钻探法，人员的技术水平至关重要。有责任心，经验丰富的从业者在对数学物理意义的认识、仪器操作经验、地质与物性参数的密切结合方面很有优势，在预报质量方面的准确率明显较高。另外，在项目实施过程中，项目负责人对隧道开挖过程中揭示的地质情况较为熟悉，有着深刻的认识，故实施过程中不宜轻易调换项目负责人。

5.4 方法本身的局限性

目前的隧道超前预报工作之所以采用综合预报的模式，是因为各个方法均有其优缺点，各单一的预报方法还存在一些局限性。

地质雷达法，现场测线通常只能够布置在掌子面人员方便操作的高度位置上，其他部位的测线难以布置，且预报人员需到掌子面作业，掌子面围岩的稳定性对预报人员自身的安全构成威胁。

采用TSP法探测，其对面状不良地质体的预报效果较岩溶的预报准确率高，且在面状不良地质体方面，物性差异越大，预报效果越好。但对岩溶方面的预报，不仅与岩溶的规模大小有关，还和岩溶的发育形态有关。有的地质异常体迎头面角度较为刁钻，反射波提取时难以形成连续的同相轴，故反射界面难以提取出来，进而容易导致漏报的情况发生。此时还应重点关注速度分析图上是否有低速异常，并区分低速异常是否为失真的假异常。

另外，经过科研方面数值模拟计算及大量实践工作总结，发现TSP法的最大有效预报距离在120 m左右，若预报范围内围岩完整性差，地质情况复杂，则预报距离应控制在100 m左右。同时在数值模拟计算中，模拟10 m宽的断层破碎带时，发现当10 m宽的单个断层破碎带分别位于掌子面前方50～60 m和100～110 m处时，该断层破碎带能被准确地预报出来；当同等规模的断层破碎带位于掌子面前方150～160 m时，受大地滤波及分辨率影响，该断层破碎带已经不能被预报出来。用这种方法，同样测试了5 m宽的断层破碎带，当5 m宽的断层破碎带在掌子面前方100 m时，断层能被准确预报出来，当5 m宽的断层破碎带在掌子面前方150 m时，已经不能被有效分辨预报出来。岩溶方面，当半径为10 m的溶洞在125 m 附近时能够被预报出来，但当位于150 m时，已经不能被预报出来。假设掌子面前方93～107 m和118～132 m存在前后两个半径均为7 m的溶洞，前面的第一个溶洞能够被预报出来，但后续的第二个溶洞已经不能预报。同样，半径为4 m的溶洞在100 m之内时，能够被预报出来，但当溶洞在掌子面前方125 m附近时，已经不能被预报出来。另外，对所建立模型的椭球体旋转了90°，改变了预报异常地质体迎头面的大小，结果发现迎头面减小后，预报效果不佳。这点也解释了为何现场预报的数据对岩溶预报的难度较大。因为岩溶的预报不仅和预报距离有关，还和岩溶的规模大小、形态等有关系。通过预报实践，还发现在前后存在多个不良地质体时，如果第一个异常规模较后面的大，则后面的第二个异常难以预报出来，但如果前面发育有岩溶，后面存在断层等更大规模的异常体时，则这种条件下前后异常都可能被准确预报。

瞬变电磁法方面，主要体现在有地下水的地方资料肯定有低阻的反映，但是低阻的反映不一定是由地下水引起，且该方法目前易受到现场施工各种钢结构、掌子面附近积水等干扰而产生假异常，对瞬变电磁法探水这方面的研究还需进一步深化。

钻探方面，从钻孔数量而言，孔数越多预报的质量肯定越高，但考虑现场的工期、资金等因素，水平钻不可能施做得太多。采用水平钻对面状不良地质体预报准确率高，但对岩溶方面的预报，则可能存在一孔之见，有发生漏报的风险。加深炮孔法因孔数较多，现场实施方便，落实好加深炮孔预报工作，可极大提高预报质量。

5.5 物探成果的多解性

方法的多解性和局限性是两个不同的概念。前面提及，物探法只是捕捉异常信号，从背景场中识别出异常信号而已。物探法发现的异常解译为地质异常时，有时存在多种可能性。预报工作的过程，就是抽丝剥茧，去伪存真，逐渐深化认识的过程，针对物探法的多解性，还需要其他资料互相印证，如采用其他物探手段或钻探法等进行互为补充的印证。当边界条件足够时，可排除其他可能性，最终得到唯一解。

5.6 掌子面里程的准确性

出于种种原因，有的提供的掌子面里程和真实里程存在偏差。隧道里程是所有预报工作开展的基础，后面的资料解译也是根据掌子面里程计算而来，其重要性不言而喻。如果里程都出现偏差，则所有预报工作失去了开展的意义。

5.7 特殊岩土

预报工作中，有的会遇见特殊岩土，如白云岩砂化、火成岩中存在高压气囊、花岗岩的差异风化等。这类平时较少遇到的特殊岩土的突然出现，有时候会超出预报人员对地质情况的预判和认知范围，也易导致预报失败。

5.8 其他不可抗因素

有的地方由于隧道开挖改变了地下水的径流条件，会出现滞后涌水的情况，隧道开挖过程中没有明显异常，掌子面也已经正常开挖过去，但过了一段时间后，在掌子面后方已开挖段发生涌突水等灾害。还有的，预报及开挖过程中，岩溶管道涌水后突然断流，后期因岩溶管道堵塞水头压力进一步升高，在某个临界点突然发生更大规模的涌水突泥。前期涌水后的突然断流，是地下水已经排完还是因岩溶管道堵塞造成的，这方面的预警目前的技术水平也还很难做到。但一般而言，当岩溶地区地下水的出露忽大忽小或者突然断流，则岩溶管道堵塞的风险较高，如地下水出露逐渐变小，则多为地下水已经排泄完。上述的这些病害的出现，其实已经超出了超前预报工作的范畴，确属不可抗力因素。

6 结 论

1)做好隧道综合超前地质预报是个系统性的工作，涵盖了勘察设计、实施、动态调整等多个阶段，涉及了地质调查、物探、钻探、超前导坑等多种预报手段，存在有人员水平、现场数据质量、管理方面的严格落实等诸多影响因素。在预报工作实施过程中明确分工，严格管理，做到参建各方信息的及时互通互享和多元信息融合的综合分析研判工作和提升预报效果，有利于现场及时发布预警信息，提前采取防范措施。

2)隧道超前预报工作的过程，就是抽丝剥茧，去伪存真，逐渐深化认识的过程。鉴于漏报的情况仍然偶有发生，施工时做好隧道施工现场的应急预案和安全风险防范措施同样重要。

3)对目前的预报方法应用特点和技术发展水平应有一个全面客观的认识和评价，常怀敬畏之心，不夸大其词。客观公正地认识和宣传，有利于促进预报技术的进步和预报效果的提升。